高品相13X分子筛厂家膜材料在污水处理与资源化领域的发展与应用

　　高品相13X分子筛厂家膜材料在污水处理与资源化领域的发展与应用

　　高品相13X分子筛生产厂家膜材料在污水处理与资源化领域的发展与应用。膜分离过程中，膜作为两相分离屏障在跨膜驱动力(如膜两侧温度差、浓度差、电势差、压力差等)作用下实现物质选择性分离和跨膜传输。自上个世纪60年代美国埃克森公司研发首批工业膜开始，膜技术步入了高速发展时期。在污水处理与资源化领域，膜技术凭借其占地面积小、固液分离效率高、出水水质优、易于自动化控制等优点而得到广泛关注。尤其是近年来，随着水环境污染、水资源短缺等问题日益突出，以膜分离为核心的污水处理与资源化技术得到快速规模化应用。

　　膜产业市场发展

　　膜材料创新研发是驱动污水处理膜市场发展的重要驱动力。近20年来，全球膜产业总产值快速增长，全球膜产值从1999年的200亿美元增加至2017年逾1000亿美元。中国膜产业产值近几十年来也处于高速增长阶段，从1993年的约2亿人民币上升至2017年的2000亿人民币;2019年，我国膜产业总产值预计超过2400亿元。

　　发达国家膜材料市场发展概况

　　发达国家的膜技术发展应用较早，已形成了系列成熟膜材料产品。与此同时，新型膜材料和膜产品不断商业化，有力带动了膜产业的快速发展。美国是膜材料和膜技术研发高地，同样也是全球重要膜材料应用市场。美国孕育和集聚了多个代表世界高水平的膜技术企业，如美国科氏公司(KOCH)拥有完善的膜产品，其超低压系列反渗透膜(KOCH-ULP)得到市场和用户的关注(运行压力范围0.8-1.2 MPa，稳定脱盐率99.5%);陶氏化学公司(DOW)的FILMTECTM品牌的反渗透和纳滤膜产品目前占据了全球50%以上的市场份额。海德能(HYDRANAUTICS)公司ESPA系列超低压大通量反渗透膜在保持高脱盐率的状态下，水通量几乎达到现有聚酰胺膜通量的两倍;通用(GE)等公司也拥有系列成熟的膜产品和技术。其他发达国家如日本、德国等，在全球膜技术市场也占据一席之地。日本久保田株式会社(KUBOTA)公司的膜产品已在52个国家拥有超过4500个应用项目，东丽公司(TORAY)拥有40年从事液体分离膜的基础研究和产品开发的经验和业绩，是世界上最早从事反渗透膜技术的企业之一;德国西门子旗下的MEMCOR公司、巴斯夫旗下的INGA公司在微滤/超滤膜产品也得到广泛应用。

　　我国膜材料市场发展概况

　　我国膜产业起步较晚，但发展十分快速。我国知名企业在超滤、微滤膜产品方面具有不俗的研发与应用实力。同时，膜产品不断进军国际膜市场，在国际膜材料市场也占据了一席之地。我国企业的主要膜产品包括超滤、微滤等膜材料;部分企业也推出了反渗透、纳滤膜产品。

　　我国是膜生物反应器(MBR)应用全球最活跃的国家之一，当前MBR产值超过150亿元。在MBR应用领域，涌现了具有国际竞争力的MBR膜供应商。目前，我国MBR工程累计处理规模已超过1400万吨/天，位居全球第一。MBR新型膜材料研发与应用处于蓬勃发展状态。

　　膜材料污水处理与资源化中的应用

　　目前，在污水处理领域广泛应用的膜材料多为压力驱动膜，而根据膜孔尺寸和跨膜驱动力的不同，又可分为低压膜(微滤(MF)和超滤(UF))和高压膜(纳滤(NF)和反渗透(RO))。低压膜过滤具有运行稳定、通量高、出水水质好及运行成本较低等优点，可取代常规水处理工艺中的混凝沉淀和固液分离等工艺环节，目前已广泛应用于生活污水处理、工业废水处理等领域。高压膜过滤则能够进一步去除水中的溶解性污染物和多价/单价盐离子，被应用于废水的深度处理和海水淡化领域。

　　市政污水处理

　　近年来，随着膜生产技术水平不断提高和生产成本逐步降低，膜分离技术在市政污水处理领域的应用日益增多。特别是与生物反应器相结合的膜生物反应器(MBR)技术，因具有占地面积小、剩余污泥产量低、出水水质好且易于自动化管理等技术优势而已逐渐成为市政污水处理中常用的工艺之一。据美国Grand View Research咨询公司预测，全球MBR市场将于2025年达到82.7亿美元规模。中国是MBR研究与应用推广最为活跃的国家之一。自20世纪90年代早期MBR引入中国，经过20余年膜材料和膜技术的攻关与研发，目前我国投入运行的MBR系统累计处理能力已超过1400万m/d 。在应用规模不断扩大、市场不断扩张的同时，新型膜材料制备、反应器效能优化、工艺组合等研究也为MBR的工艺创新提供了诸多新的思路，进一步推进了MBR的整体节能降耗与效能提升。

　　工业废水处理

　　工业废水通常污染物成分复杂，处理难度大，且存在较高的排放要求和回用需求。以反渗透为代表的高压膜分离技术为工业废水处理提供了关键的技术支撑。2016年，中国反渗透膜应用规模已达到3300万m3/d以上。随着我国工业化进程的不断加剧，工业废水的达标排放已不能满足工业生产巨大水耗需求和绿色循环经济的发展要求，废水零排放(ZLD)成为了工业废水处理领域发展的新方向。在UF、NF、RO等膜工艺基础上，通过进一步的工艺组合与优化创新，提升能量利用效率，降低能耗，提高水和污(废)水的处理效能。同时，正渗透(FO)、电渗析(ED)、膜蒸馏(MD)等工艺在零排放领域也得到关注。如，FO-MD 集成工艺应用于污(废)水的处理。在集成工艺中，前置 FO 单元是后续MD 单元的一道屏障，起到了低成本、高效的预处理作用，可截留处理对象中的大部分污染物，而后置 MD 单元仅仅用于成分单一汲取剂的浓缩。因此，集成工艺中的前置 FO 单元可降低 MD 表面膜垢现象，进而可降低疏水膜润湿风险(图1)。

　　图1 FO-MD 工艺示意图

　　膜材料研制前沿技术

　　膜材料市场的发展依赖于膜材料基础研究的创新驱动。通过与材料、化学等多学科交叉，新型高性能膜材料不断突破。目前，先进的多功能表面构筑、膜结构调控、新型概念性膜材料研制已成为该领域的研究热点(图2)。

　　图2 膜材料开发前沿技术

　　膜材料表面功能构筑

　　膜污染问题是膜材料应用于污水处理技术的主要障碍之一。研制具有抗污染功能的膜材料是控制污染最直接、最核心的手段之一。当前，膜表面亲水化改性仍然是提升膜材料抗污染性能的主要途径。此外，引入抗菌剂使膜材料具有抗生物污染功能是研究的前沿之一(如纳米银、纳米铜、石墨烯、季铵盐等)。多功能膜材料的研制是另外一个研究热点和前沿，如在分离功能基础上附加催化、吸附等功能。在膜表面复合导电材料可以使膜材料具有催化能力，实现在分离同时进行难降解有机物的强化去除。在膜面接枝某些对外界物理化学刺激(如温度、pH等)做出特殊响应的基团或链段，可以实现待分离溶液中特定离子(如K+、Ba+等)的识别和选择性通过;通过分子印迹法可以使膜材料对污染物及重金属具有特异性识别和选择性吸附功能。

　　膜结构调控

　　膜结构的精准调控可以大幅度提升膜性能，美国科学家采用基于反应单体电喷雾的3D打印技术替代传统的界面聚合技术，成功实现了聚酰胺反渗透膜材料的膜厚度及表面粗糙度的纳米级别精细调控，与商品化反渗透膜产品相比，具有更高的盐截留率和水通量。此外，大自然的精巧设计也为科研人员带来了灵感，如浙江大学研究团队通过在水相中添加聚乙烯醇的方法提高界面聚合反应中活性剂与抑制剂扩散系数差异，从而得到了管状、泡状等不同的图灵结构，赋予了膜更多的透水位点，拥有该结构的纳滤膜的透水性能高出常规纳滤膜3-4倍。细胞膜上调控水分子进出的水通道蛋白被引入到聚合物基膜中，制备的仿生纳滤膜水通量提升50%以上，对MgCl2截留率95%(运行压力0.1MPa)。目前由丹麦的Aquaporin A/S公司生产的Aquaporin InsideTM 系列脱盐膜已经成功应用于市政污水处理中，成功实现水通道蛋白仿生膜产业化。将纳米材料引入聚合物活性分离层，能够在调控膜面性能和结构的同时保持较低的活性层厚度，有效提升膜通量和截留率。

　　新型概念性膜材料开发

　　随着材料、化学等学科的发展，新型概念性的膜材料也被研究者提出。如石墨烯概念性膜材料，通过石墨烯膜的片层间距实现对离子的截留。碳纳米管水通道膜的概念性膜材料也被提出，水分子可以以特殊形式通过碳纳米管水通道膜，从而大幅度提升过滤性能。新型概念性膜材料不断涌现为未来高性能膜材料研究与开发提供了源源不竭的动力。

　　膜材料与膜技术的发展机遇与挑战

　　当前，我国膜产业正处于重要战略发展机遇期，在污水处理与资源化等领域具有广阔发展空间。然而，我们还需要清醒地认识到，我国膜材料在自主原始创新、核心竞争能力等方面与发达国家相比还存在一定差距。首先，膜产业配套能力不足，上游主要核心原材料难以满足膜材料生产要求;其次，膜材料创新向产业转化效率较低，技术研发与产业互动仍需加强;在关键高端膜材料制备方面需要进一步突破，以在国际市场上提高国产膜竞争力。此外，在膜产业技术标准的制定等方面需要进一步强化，目前市场上膜产品的质量参差不齐，需要进一步通过技术标准等进行规范，从而推动膜产业的健康发展。在膜工艺运行过程中的膜污染控制、节能降耗等仍是膜技术发展与应用的重要关注点。

　　未来污水处理领域膜材料与膜技术的主要发展趋势与突破方向：

　　基于表面定向设计与结构精准调控的新型膜材料;

　　高选择性/高通量的新一代纳米基材功能膜;

　　膜法污水处理工艺的节能降耗与提质增效;

　　以资源、能源回收为导向的膜集成工艺技术;

　　基于信息技术集成的膜工艺智能化运行控制等。

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