我國無機陶瓷膜發(fā)展現(xiàn)狀及展望
行業(yè)動態(tài)
1 概述
無機陶瓷膜是高性能膜材料的重要組成部分，屬于 重點大力發(fā)展的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，是新材料領(lǐng)域的重要組成部分。無機陶瓷膜是由無機金屬氧化物制備而成的具有高效分離功能的薄膜材料。耐高溫、耐化學侵蝕、機械強度好、抗微生物能力強、滲透通量大、可清洗性強、孔徑分布窄、使用壽命長等特點，使得陶瓷膜的發(fā)展十分迅速，銷售量已占整個膜市場的10%～20%，并以年增長35%的速度發(fā)展著，現(xiàn)已在化學與石油化工、食品、生物、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域獲得成功的應用。
國際陶瓷膜技術(shù)起源于二戰(zhàn)時期原子彈計劃，屬于軍轉(zhuǎn)民用產(chǎn)品，其制備技術(shù)已趨于成熟，商品化的陶瓷膜材料主要集中在多孔氧化物的微濾、超濾。自20世紀80年代以來，美國、日本、法國和德國陸續(xù)出現(xiàn)了商品化的陶瓷膜制造公司，生產(chǎn)銷售陶瓷微濾膜和超濾膜，在有機膜無法應用或應用效果不理想的領(lǐng)域（如酸堿、溶劑體系、高溫環(huán)境等）取得了規(guī)模化的應用。
我國陶瓷膜技術(shù)起源于20世紀90年代，在 各部委的支持下，已開發(fā)出氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦等三種材料20多種規(guī)格型號的陶瓷微濾膜及超濾膜產(chǎn)品。根據(jù)中國膜工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計，我國無機陶瓷膜市場占到整個膜市場的3%左右，遠低于國際10%～20%的比例，但增長速度快。同時，我國膜市場也只占國際膜市場的15%左右，但其增長速度大于國際市場的增長速度。為支持膜材料的快速發(fā)展，2012年9月，科技部印發(fā)了《高性能膜材料科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》，從基礎(chǔ)研究、前沿技術(shù)、集成與應用示范等全方位布局，設(shè)立863重大項目，以重點支持高性能膜材料。預期到2015年我國膜市場將達到千億元規(guī)模，其中陶瓷膜、MBR專用膜材料等重要膜品種的國內(nèi)市場占有率將顯著提高，未來幾年包括陶瓷膜在內(nèi)的膜材料將迎來巨大的市場發(fā)展空間。
2 政策導向及支持方向
膜材料與膜技術(shù)一直是 鼓勵發(fā)展和重點支持的領(lǐng)域，《 中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》在優(yōu)先主題“海水淡化”中明確提出重點研究開發(fā)“膜法低成本淡化技術(shù)及關(guān)鍵材料”，在優(yōu)先主題“基礎(chǔ)原材料”中提出要重點研究開發(fā)“分離材料”，陶瓷膜是分離材料的重要組成部分，從九五開始一直得到 相關(guān)部委的重點支持。
《國務院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》（國發(fā)[2010]32號）中將“高性能膜材料”列入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，明確指出要大力發(fā)展高性能膜材料?！妒? 戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中指出，要重點開發(fā)膜技術(shù)等污水處理關(guān)鍵技術(shù)，要發(fā)展新型陶瓷功能材料。
《十二五科學與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》中，在促進重點產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級，高性能分離膜材料被列為產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)示范重點；要重點開發(fā)水處理膜、氣體分離膜、特種分離膜等膜材料。特種分離膜以耐溶劑分離膜和高溫氣體分離膜為突破口，耐溶劑分離膜達到國際 水平。推動膜技術(shù)在水處理、鋼鐵、石化、環(huán)保等領(lǐng)域的推廣應用，造就一批膜材料領(lǐng)域的高素質(zhì)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化團隊，重點膜材料國內(nèi)市場占有率提高30%以上。陶瓷膜是高性能膜材料的重要組成部分，江蘇、天津等省市也將膜材料列為重點發(fā)展的新材料。
《高性能膜材料科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》中提出發(fā)展面向過程工業(yè)的特種分離膜材料。針對過程工業(yè)中高溫、溶劑和反應體系等苛刻環(huán)境下的分離問題，重點突破陶瓷納濾膜材料、氣體分離和凈化膜材料、滲透汽化和蒸汽滲透膜材料的規(guī)?；苽潢P(guān)鍵技術(shù)，引領(lǐng)我國膜產(chǎn)業(yè)向高端化發(fā)展，為我國節(jié)能減排具體目標的實現(xiàn)提供技術(shù)支撐。
《當前優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點領(lǐng)域指南（2011年度）》第四項新材料第51條指明發(fā)展膜材料及組件：包括了無機分離催化膜材料，生物功能和仿生分離膜材料，海水、苦咸水及中水處理用反滲透膜材料及組件，陶瓷分離膜材料與技術(shù)，滲透氣化和蒸汽滲透分離膜材料與技術(shù)。
《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》中明確要求：新材料產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展新型功能材料、 結(jié)構(gòu)材料、高性能纖維及其復合材料、共性基礎(chǔ)材料。無機陶瓷膜屬 功能材料，符合我國國民經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃。
從 “綱要”、國務院決定到各部委的“十二五”規(guī)劃，都涉及到與膜技術(shù)相關(guān)的描述，尤其是科技部將高性能膜材料作為新材料領(lǐng)域六個專項之一，給予重點支持，支撐了膜行業(yè)的快速發(fā)展。
3 國內(nèi)知名膜研究機構(gòu)及企業(yè)
我國從事膜技術(shù)研究的科研院所、高等院校近100家，已初步建立了較完整的高性能膜材料創(chuàng)新研究平臺。國內(nèi)從事膜材料研究的 級研發(fā)機構(gòu)主要有兩類：一是基礎(chǔ)研究平臺，以南京工業(yè)大學為依托的材料化學工程 重點實驗室，擁有徐南平院士為學術(shù)帶頭人的膜材料與膜過程研究室，主持兩項膜材料“973”項目，在陶瓷膜研究上處于國際 。二是工程放大平臺，主要分為三部分： 液體分離膜工程技術(shù)研究中心，成立于1991年，由科技部批準以杭州水處理技術(shù)開發(fā)中心為依托單位組建，主要從事海水淡化、有機膜等液體分離膜技術(shù)研究、開發(fā)及應用；膜技術(shù) 工程研究中心，成立于2000年，由發(fā)改委批準以中國科學院大連化學物理研究所為依托單位，實體化運行組建了天邦膜技術(shù) 工程研究中心有限責任公司，主要從事氣體分離膜的研究和產(chǎn)業(yè)化工作； 特種分離膜工程技術(shù)研究中心，成立于2011年，由科技部批準以南京工業(yè)大學為依托單位組建，主要從事陶瓷膜材料、分子篩滲透汽化膜材料、特種高分子膜材料、復合金屬膜材料的研究與規(guī)?；苽浼夹g(shù)研究。為發(fā)展陶瓷膜技術(shù)，2011年發(fā)改委批準以江蘇久吾高科技股份有限公司為依托，組建了無機膜 地方共建工程研究中心，從事無機膜的研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。
據(jù)中國膜工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計，我國從事膜材料生產(chǎn)的企業(yè)近300家左右，但產(chǎn)值超過億元的企業(yè)不到10%，企業(yè)規(guī)模普遍較小；從事膜工程的企業(yè)超過千家左右，絕大多數(shù)都不具備大型膜工程的設(shè)計、施工、調(diào)試運行能力。主要的膜生產(chǎn)企業(yè)有貴陽時代沃頓科技有限公司，從事反滲透有機膜生產(chǎn)，是上市公司南方匯通股份有限公司的子公司；天津膜天膜科技股份有限公司源自于天津工業(yè)大學，從事PVDF中空纖維有機膜的生產(chǎn)，已于2012年在創(chuàng)業(yè)板上市；江蘇久吾高科技股份有限公司源自南京工業(yè)大學，從事陶瓷膜的生產(chǎn)；杭州水處理技術(shù)研究中心有限公司和天邦膜技術(shù)工程研究中心有限公司分別從事液體分離有機膜和氣體分離有機膜的生產(chǎn)等。主要工程公司有北京碧水源科技股份有限公司，是以有機膜在市政污水中應用為核心技術(shù)的上市公司，目前也已成立子公司進行中空纖維有機膜的生產(chǎn)；江蘇維爾利環(huán)?？萍脊煞萦邢薰臼且杂袡C膜在垃圾滲濾液處理中應用為核心技術(shù)的上市公司，目前也有計劃開展管式有機膜的生產(chǎn)。
4 陶瓷膜材料的發(fā)展趨勢
近年來，由于陶瓷納濾膜可截留多價離子或小分子量物質(zhì)且具有獨特的材料性能，可應用于食品、醫(yī)藥、過程工業(yè)及水處理領(lǐng)域，尤其在高溫、酸堿、有機溶劑等有機膜無法承受的苛刻環(huán)境下具有很好的競爭力。目前，國外在陶瓷納濾膜方面的研究較多，膜材料種類豐富且性能優(yōu)異，并已有部分公司具有生產(chǎn)陶瓷納濾膜的技術(shù)及實力，如德國Inopor公司能夠生產(chǎn)陶瓷納濾膜，但陶瓷納濾膜產(chǎn)品規(guī)格型號不多。我國目前陶瓷超濾膜、微濾膜等品種已達到國際 水平，生產(chǎn)規(guī)模居于國際 ，但在陶瓷納濾膜上尚無與國際抗衡的公司，久吾公司已開發(fā)出采用模板法進行小孔徑陶瓷超濾膜微結(jié)構(gòu)精密控制的方法，完成了孔徑為3～10nm的小孔徑陶瓷超濾膜材料的中試生產(chǎn)，并進行了運行性能的評價。
由于水處理領(lǐng)域?qū)Φ统杀咎沾赡さ男枨?，以美?/span>CeraMem公司和日本NGK公司為代表的陶瓷膜公司已開發(fā)出面向水處理領(lǐng)域的低成本陶瓷膜產(chǎn)品，并進入規(guī)?；瘧秒A段。日本NGK公司已經(jīng)利用陶瓷膜處理地表水，代表性應用工程有：日本靜岡10500m3/d的自來水廠以及日本福井市60000m3/d的 較大陶瓷膜生產(chǎn)飲用水廠。南京工業(yè)大學開發(fā)出適合于水處理的低成本蜂窩狀陶瓷膜，已由江蘇久吾公司產(chǎn)業(yè)化，并應用于海水淡化預處理和日產(chǎn)千噸級的自來水生產(chǎn)中，但膜制備的成本仍需進一步下降。
因此陶瓷膜材料的發(fā)展趨勢主要集中在制備低成本高性能的微濾超濾膜和孔徑小于10nm在苛刻環(huán)境體系中性能穩(wěn)定的納濾膜兩個方面。
5 陶瓷膜的應用領(lǐng)域及市場分析
無機陶瓷膜將在人類面臨的能源、資源、環(huán)境和健康等重要領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，其市場涉及到生物醫(yī)藥、食品與保健、化工與石油化工、環(huán)保等諸多領(lǐng)域。
5.1 在生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)中的應用
無機陶瓷膜因其獨特的耐化學腐蝕性、耐高溫、分離精度高等性能已成為生物醫(yī)藥行業(yè)優(yōu)先選擇的分離技術(shù)，可廣泛應用于發(fā)酵氨基酸（谷氨酸、賴氨酸、蘇氨酸、苯丙氨酸、色氨酸）、抗生素（如青霉素、紅霉素等）、有機酸（如檸檬酸、乳酸、衣康酸等）等發(fā)酵液的處理，去除其中的菌絲體、大分子蛋白、酵母細菌壁碎片、細胞纖維等，降低下游處理工藝如樹脂交換、活性炭吸附等的處理成本和處理負荷，提高產(chǎn)品收率2%～5%，廢水處理負荷降低40%以上，從發(fā)酵液中回收的蛋白可作為動物飼料或肥料等。
據(jù)全球行業(yè)分析公司（GIA）發(fā)布的《氨基酸：全球戰(zhàn)略經(jīng)營報告》，預計到2015年，全球氨基酸市場規(guī)模將達到116億美元；我國氨基酸產(chǎn)業(yè)規(guī)模以上生產(chǎn)企業(yè)已達到近百家，氨基酸產(chǎn)業(yè)年總產(chǎn)值大約400多億元，年總產(chǎn)量300萬t左右，按國際市場預測2015年我國氨基酸產(chǎn)業(yè)將超過1000億元的產(chǎn)值，近千萬噸的生產(chǎn)規(guī)模。我國是抗生素生產(chǎn)大國，2012年中國抗生素產(chǎn)量已達21萬t，全 75%的青霉素工業(yè)鹽、80%的頭孢菌類、90%抗菌素都產(chǎn)于中國。有機酸的總生產(chǎn)能力約為200萬t，大宗和新型工業(yè)酶制劑總生產(chǎn)能力為35萬t，果葡糖漿的產(chǎn)量達到了236萬t，隨著食品工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)的發(fā)展，這些產(chǎn)品的產(chǎn)能仍有很大的發(fā)展空間，預計到“十二五”末期，產(chǎn)能將翻番，陶瓷膜在這些產(chǎn)品生產(chǎn)中將發(fā)揮重要作用。每新增百萬噸的生產(chǎn)規(guī)模，將為陶瓷膜帶來億元以上的市場，預期在生物醫(yī)藥領(lǐng)域陶瓷膜的市場將超過20億元，使用膜面積將達到0.2×106m2。
5.2 在化工行業(yè)中的應用
化工過程工業(yè)領(lǐng)域中，80%的過程涉及溶劑和高溫等苛刻環(huán)境，膜技術(shù)的普及程度反映一個 工業(yè)過程的能耗水平。過程工業(yè)裝備年投資在萬億元以上，原有裝備改造和新建裝備為陶瓷膜技術(shù)帶來巨大的發(fā)展空間。
例如在氯堿行業(yè)，陶瓷膜沉淀反應器的使用提高了精制鹽水的品質(zhì)，保證離子膜電解槽的穩(wěn)定運行，同時與傳統(tǒng)鹽水精制工藝相比，可節(jié)能30%。2015年，燒堿產(chǎn)量預計在2800萬t，目前陶瓷膜反應器已推廣應用300萬t左右，形成了近2億元的市場；預期到“十二五”末，新增氯堿生產(chǎn)和老工藝改造，將為陶瓷膜帶來10億元左右的市場。
化學品的生產(chǎn)過程90%與反應和分離過程密切相關(guān)，大部分涉及催化劑，催化劑的超細化是重要發(fā)展方向。在超細催化劑生產(chǎn)和納米粉體制備中，采用無機陶瓷膜洗滌回收超細粉體，代替?zhèn)鹘y(tǒng)過濾，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益；將催化反應與陶瓷膜耦合構(gòu)成膜反應器，用于加氫反應、氧化反應、聚合反應等過程，將間歇反應過程轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)反應過程，可節(jié)能降耗30%以上，推動相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進步。
5.3 在食品與中藥保健品行業(yè)中的應用
無機陶瓷膜技術(shù)可高溫殺菌、低溫操作、分離效率高、不必添加化學試劑、不破壞熱敏物質(zhì)等，對食品與保健行業(yè)中高熱敏性、易揮發(fā)和對化學試劑敏感的體系非常適用。天然提取物和食品飲料工業(yè)，是無機陶瓷膜較值得發(fā)展的市場，可應用各類酒、果汁飲料、明膠和葡萄糖的過濾，以及牛奶過濾、啤酒渣回收，食用醬油和醋的過濾除菌和澄清等許多領(lǐng)域。
我國中藥產(chǎn)業(yè)年規(guī)模已達4100億元以上，中藥生產(chǎn)企業(yè)已近1500家，年增加的趨勢明顯， 鼓勵發(fā)展現(xiàn)代中藥以及藏藥、維藥、蒙藥、回藥等民族藥。天然色素是從天然植物中提取出的能改變食物或其他物品顏色的物質(zhì)，不含對人體有毒性、影響人身體健康的物質(zhì)，天然色素年增長率達到15%左右。在中藥和天然色素的提取過程中，常涉及到提純、過濾等工藝，采用陶瓷膜可直接分離提取液，提高產(chǎn)品收率和純度。目前陶瓷膜已用于勁酒集團、敖東制藥等企業(yè)，用于中藥及植物提取，取得了較好的收益。
據(jù) 統(tǒng)計局中國行業(yè)企業(yè)信息發(fā)布中心的分析報告，我國飲料行業(yè)總產(chǎn)量已經(jīng)從2000年的1490.8萬t增長到2011年的1.2億t，年均增長率高達20.7%，到2015年產(chǎn)量將達到1.7～2.1億t。乳品飲料、谷類飲料、果汁飲料、功能飲料、茶飲料等健康飲料品類將逐漸成為飲料業(yè)的主力軍。陶瓷膜在牛奶的無菌過濾、果汁的澄清濃縮、茶飲料的提取中均已有成功應用的案例，這些行業(yè)的迅速發(fā)展也會推動陶瓷膜技術(shù)的進步和市場發(fā)展。
我國是酒類生產(chǎn)和飲用的大國之一，據(jù) 統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)顯示，全國累計生產(chǎn)啤酒達4902萬m3，同比增長3.06%；葡萄酒產(chǎn)量超過百萬噸，增速27.63%；保健酒在勁酒市場成功的引領(lǐng)下，保持在30%增長速度，市場規(guī)模已超過130億元。面對國內(nèi)龐大人口基數(shù)，酒消費市場比例將不斷提高。陶瓷膜在酒類生產(chǎn)中可替代硅藻土等過濾、進行無菌消毒，對促進酒類產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的操作穩(wěn)定性將發(fā)揮重要作用。
5.4 在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域中的應用
信息中心《2008-2020年中國環(huán)境經(jīng)濟形式分析與預測》中指出，我國“十二五”和“十三五”時期的廢水治理投入（含治理投資和運行費用）將分別達到10583億元和13922億元，其中用于工業(yè)和城鎮(zhèn)生活污水的治理投資將分別達到5753億元和5578億元。未來10年，用于污水處理的投資仍將保持持續(xù)增長。結(jié)合生化處理技術(shù)，無機膜與有機膜優(yōu)勢互補，共同處理苛刻體系的工業(yè)和市政污水，成為此類廢水處理回用的核心技術(shù)。
我國陸上油田已經(jīng)大部分進入高含水的后期開采階段，平均綜合含水率已達80%以上，每年有10幾億噸的采出污水需要處理回用，加上開采過程中的鉆井廢液、壓裂廢水，每年產(chǎn)生的廢水量超過20億t，采用陶瓷膜處理油田采出水，可以達到低滲透油田回注水質(zhì)指標，目前已在遼河油田等建立了多套中試現(xiàn)場考核裝置，預期形成數(shù)億元的市場。
垃圾無害化處理是我國重要的發(fā)展方向，到2015年全國城市生活垃圾無害化處理率將達到80%以上，“十二五”期間垃圾滲濾液處理市場容量預計將達到150億元左右，2008年發(fā)布的垃圾滲濾液處理新標準的實施，提高了滲濾液處理指標，為膜技術(shù)的應用打開了一片市場。
據(jù)統(tǒng)計局環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國規(guī)模以上造紙及紙制品類企業(yè)污水排放量占全國工業(yè)總排水量的15%以上，年排放污水量40多億t。我國醫(yī)藥企業(yè)有4696家，年污水排放量卻達到4.75億t，占到總排污量的2%。隨著 對造紙制漿、醫(yī)藥等企業(yè)的用水限制以及排放標準的提高，這類工業(yè)企業(yè)達標尾水的處理回用將成為企業(yè)節(jié)能減排的重要方向。采用雙膜法處理技術(shù)已成為水回用的重要技術(shù)，由于工業(yè)尾水的水質(zhì)復雜，陶瓷膜優(yōu)異的材料性能，作為反滲透膜預處理技術(shù)將發(fā)揮重要作用。
6 結(jié)束語
無機陶瓷膜分離技術(shù)以其綠色、高效分離的特點，在苛刻的過程工業(yè)體系中應用越來越廣泛，將在 “十二五”的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造、節(jié)能減排中發(fā)揮重要作用。 出臺了系列政策對高性能膜材料等新興產(chǎn)業(yè)給予重點支持，為膜行業(yè)帶來了巨大發(fā)展機遇，這將推動我國陶瓷膜、PVDF中空纖維膜、反滲透膜、納濾膜等快速發(fā)展，顯著提升這些重要膜品種在國內(nèi)外市場的占有率，到“十二五”末將形成千億元的市場規(guī)模。
隨著面向應用過程的陶瓷膜設(shè)計與制備的理論體系的進一步完善，陶瓷膜的應用技術(shù)將得到進一步提高，在生物醫(yī)藥、食品與保健、化工與石油化工、環(huán)保等諸多領(lǐng)域的應用量顯著提升，預期在“十二五”末，無極陶瓷膜將形成百億元以上的市場規(guī)模。
