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中國污水處理中空纖維膜技術(shù)的應(yīng)用分析

      中空纖維膜技術(shù)是解決當(dāng)前全球面臨的水資源與能源危機(jī)、環(huán)境污染等重大問題的共性關(guān)鍵技術(shù)之一，也是節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)、系統(tǒng)效率與產(chǎn)品品質(zhì)提升等實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要技術(shù)支撐。本文系統(tǒng)分析了中空纖維膜發(fā)展的戰(zhàn)略需求、現(xiàn)狀與趨勢，指出了我國中空纖維膜技術(shù)在各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域中存在的主要問題和未來創(chuàng)新重點(diǎn)，明確了2025年和2030年的發(fā)展目標(biāo)。研究提出中空纖維超 / 微濾膜、高品質(zhì)疏水膜、新膜技術(shù)、廢舊膜回收 4 個(gè)方面的重點(diǎn)任務(wù)與要求，并從人才管理、創(chuàng)新投入、行業(yè)規(guī)范、國際合作 4 個(gè)方面給出了保障措施建議，以期為我國中空纖維膜產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

      中空纖維膜是功能纖維材料與分離膜技術(shù)交叉形成的新型膜技術(shù)產(chǎn)品，具有單位體積裝填密度高、過濾面積大、占地面積小、成本相對(duì)低等優(yōu)勢，成為分離膜領(lǐng)域中發(fā)展最快、規(guī)模最大、產(chǎn)值最高的一類新型膜技術(shù)產(chǎn)品。中空纖維膜技術(shù)已成為環(huán)境保護(hù)、資源回收、新能源產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域共性關(guān)鍵技術(shù)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要共性支撐（見下圖），被發(fā)達(dá)國家列入重點(diǎn)優(yōu)先發(fā)展方向，也是我國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)、科技創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃的關(guān)鍵組成，如高性能分離膜技術(shù)被納入《中國制造 2025》重點(diǎn)工程項(xiàng)目。本文從膜材料、應(yīng)用技術(shù)等多維度研究國內(nèi)外中空纖維膜技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，分析我國中空纖維膜技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的關(guān)鍵問題、技術(shù)與政策瓶頸，明晰中空纖維膜技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)任務(wù)和措施建議。通過總結(jié)和分析我國中空纖維膜技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢，為我國相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)建議。

二、中空纖維膜技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求分析

（一）發(fā)展中空纖維膜技術(shù)是保障我國水安全的重要舉措

      水資源匱乏和水污染問題已成為制約社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。我國主要城市中超過 2/3 的城市缺水，年缺水總量超過 4×1010 t。同時(shí)，我國每年污水排放量超過 7.5×1010 t ，而得到有效處理與回用的不足 15%，造成嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)、水污染問題。膜分離技術(shù)被公認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)污水資源化、保障飲用水安全最有效的技術(shù)手段。隨著近年來我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的提高、城鎮(zhèn)污水和工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，自來水廠升級(jí)改造、污水/ 廢水處理廠提標(biāo)改造將進(jìn)入了快速發(fā)展期，為中空纖維膜技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來新機(jī)遇和新要求。

（二）中空纖維膜技術(shù)是推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支撐

      近年來，中空纖維膜技術(shù)應(yīng)用范圍已經(jīng)從水處理迅速拓展到石油化工、醫(yī)藥、生物、食品、電子、能源、大氣污染控制以及航天、軍工等領(lǐng)域，并逐漸替代蒸餾、萃取、吸附等傳統(tǒng)分離技術(shù)，成為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支撐，為節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)、產(chǎn)品品質(zhì)與系統(tǒng)效率提升提供創(chuàng)新性技術(shù)支撐。因此，發(fā)展中空纖維膜技術(shù)是實(shí)現(xiàn)諸多行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略需求。

（三）中空纖維膜高端技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展日趨緊迫

      歷經(jīng) 50 多年的發(fā)展，我國在反滲透、超濾和微濾等膜材料、組件及裝置方面已經(jīng)建立了較為完備的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)體系，具有較強(qiáng)的國際影響力和競爭力；但膜科學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用研究與國際頂尖水平仍有差距，高精度、高性能、特種分離膜產(chǎn)品與國際一流產(chǎn)品相比仍有較大差距，龐大的高端膜市場仍被國外企業(yè)壟斷。面對(duì)發(fā)達(dá)國家對(duì)關(guān)鍵高新技術(shù)封鎖或保護(hù)的不到局面，推動(dòng)我國中空纖維膜技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的需求日趨緊迫。

三、國內(nèi)外中空纖維膜技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析

      在產(chǎn)能和市場規(guī)模方面，我國已經(jīng)成為中空纖維膜的生產(chǎn)和應(yīng)用大國。2018 年全球中空纖維膜市場規(guī)模達(dá) 1100 億元，并以 11% 的年復(fù)合增長率持續(xù)高速發(fā)展 ，2025 年將達(dá)到 2451 億元。從市場區(qū)域分布來看，全球中空纖維膜市場集中在亞洲、北美、歐洲等地區(qū)。國外主要中空纖維膜生產(chǎn)廠商有蘇伊士環(huán)境集團(tuán)、科氏工業(yè)集團(tuán)、杜邦公司、旭化成集團(tuán)、三菱麗陽株式會(huì)社、東洋紡株式會(huì)社、西門子股份公司等。這些知名企業(yè)以其品牌和技術(shù)優(yōu)勢，占據(jù)了全球高端膜分離市場 95% 以上的份額。我國中空纖維膜市場規(guī)模穩(wěn)步增長，2015 年約為 110 億元，2020 年達(dá)到 300 億元（占全球市場的20.7%、亞洲市場的 50.1%），預(yù)計(jì) 2025 年達(dá)到600 億元。2020 年，我國從事中空纖維膜研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的企業(yè)有近200 家，總產(chǎn)能超過1×108 m²/a， 但年產(chǎn)值億元以上的企業(yè)僅有十余家，產(chǎn)值及技術(shù)實(shí)力與國外企業(yè)相比仍有顯著差距。下面從中空纖維膜材料、膜應(yīng)用等細(xì)分方向?qū)χ锌绽w維膜的發(fā)展現(xiàn)狀和后續(xù)研發(fā)重點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

（一）中空纖維膜材料發(fā)展剖析

1. 中空纖維超 / 微濾膜

      中空纖維超 / 微濾膜是我國產(chǎn)量最大、發(fā)展最為成熟、市場競爭力最強(qiáng)的膜品種。2018 年全球中空纖維超 / 微濾膜市場規(guī)模約為 935 億元，2020 年到 1232 億元；2018 年我國中空纖維超 / 微濾膜市場規(guī)模約為 196 億元，2020 年達(dá)到 267.9 億元。國際中空纖維超 / 微濾膜行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)已基本成熟，形成了需求穩(wěn)定、產(chǎn)業(yè)充分競爭的市場格局；美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)在高性能中空纖維超 / 微濾膜產(chǎn)品和技術(shù)創(chuàng)新能力上處于領(lǐng)先地位。國內(nèi)中空纖維超 / 微濾膜優(yōu)勢企業(yè)有北京碧水源科技股份有限公司、天津膜天膜科技股份有限公司、海南立昇凈水科技實(shí)業(yè)有限公司、鹽城海普潤科技股份有限公司、北京賽諾膜技術(shù)有限公司、山東招金膜天股份有限公司等；通過原始創(chuàng)新與技術(shù)集成，推出了各具特色的新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品，大量應(yīng)用于國內(nèi)外大型水處理工程。未來，我國應(yīng)繼續(xù)強(qiáng)化在中空纖維超 / 微濾膜領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)優(yōu)勢，重點(diǎn)加強(qiáng)中空纖維超 / 微濾膜綠色制備技術(shù)與特種分離膜新材料研究、高性能中空纖維超/ 微濾膜組件及其集成技術(shù)研究，推動(dòng)中空纖維超 /微濾膜產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

2. 中空纖維納濾膜

      由于中空纖維納濾膜制備技術(shù)的復(fù)雜性，高性能中空纖維納濾膜還未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。國外長期從事中空纖維納濾膜開發(fā)的膜企業(yè)有美國科氏工業(yè)集團(tuán)、德國贏創(chuàng)工業(yè)集團(tuán)、新加坡藍(lán)海機(jī)械有限公司等。我國中空纖維納濾膜的研發(fā)主體以高等院校、科研院所為主，如天津工業(yè)大學(xué)與天津膜天膜科技股份有限公司等合作開展了中空纖維納濾膜產(chǎn)業(yè)化探索，建成了年產(chǎn)能為 4×105 m²的實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了界面聚合法中空纖維納濾膜的連續(xù)穩(wěn)定制備。未來，我國應(yīng)繼續(xù)加快中空纖維納濾膜的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，重點(diǎn)開展中空纖維納濾膜高精度一體化連續(xù)制備技術(shù)與裝備的開發(fā)研究，力爭在世界率先實(shí)現(xiàn)中空纖維納濾膜的規(guī)模化生產(chǎn)。

3. 中空纖維反滲透膜

      我國中空纖維反滲透膜無論是在研究深度還是應(yīng)用廣度方面都落后于國外同類產(chǎn)品。反滲透膜分離技術(shù)已成為海水和苦咸水淡化、純水和超純水制備的主流技術(shù)，在全球海水與苦咸水淡化市場的比重超過 70%。2019 年，全球反滲透膜產(chǎn)值已超過 60 億美元。我國是全球最大的反滲透膜消費(fèi)國，占全球總消費(fèi)量的 26% 。日本東洋紡公司是當(dāng)前國際上唯一的中空纖維反滲透膜（醋酸纖維素膜）供應(yīng)商；天津膜天膜科技股份有限公司開發(fā)了年產(chǎn)能為 4×105 m²的中空纖維反滲透膜實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線，但產(chǎn)品分離性能仍待提升。未來，我國應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)中空纖維反滲透膜專用聚合物材料合成與結(jié)構(gòu)控制等基礎(chǔ)研究，開展高性能中空纖維反滲透膜連續(xù)化制備關(guān)鍵技術(shù)、高效率組件填充工藝?yán)碚摰妊芯俊?/span>

4.中空纖維疏水膜

      疏水膜技術(shù)已經(jīng)成為資源、環(huán)境、新能源及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)物料分離純化的重要手段，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域展現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，相應(yīng)應(yīng)用市場規(guī)模達(dá)100 億美元。國外在中空纖維疏水膜產(chǎn)業(yè)方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，疏水膜生產(chǎn)企業(yè)主要有日本住友電氣工業(yè)株式會(huì)社、三菱麗陽株式會(huì)社，美國明尼蘇達(dá)礦業(yè)及機(jī)器制造公司（3M）、默克密理博公司、戈?duì)柟镜?。國外膜科技與產(chǎn)業(yè)界逐步形成了以疏水膜微結(jié)構(gòu)調(diào)控與超疏水膜制備、新型膜接觸器設(shè)計(jì)與過程強(qiáng)化方法、面向新應(yīng)用領(lǐng)域的疏水膜過程工藝開發(fā)等為主的研發(fā)布局。我國中空纖維疏水膜產(chǎn)業(yè)起步雖晚，但已初具規(guī)模，逐步建立了從疏水膜研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化到工程應(yīng)用的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)鏈，并在超疏水膜技術(shù)方向初步形成領(lǐng)先優(yōu)勢。未來，我國應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)高性能中空纖維疏水膜材料制備關(guān)鍵技術(shù)、中空纖維疏水膜組件、膜過程與強(qiáng)化方法、裝備 – 集成系統(tǒng)和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)等研究，特別是開展中空纖維疏水膜在人工肺等生物醫(yī)藥領(lǐng)域的專項(xiàng)研發(fā)。

5.無機(jī)中空纖維膜

      國外無機(jī)中空纖維微濾、超濾、納濾膜已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。2016 年全球中空纖維陶瓷膜市場規(guī)模為 9900 萬美元，預(yù)計(jì) 2025 年達(dá)到 2 億美元。國外已產(chǎn)業(yè)化的無機(jī)中空纖維膜主要是 Al2O³陶瓷和不銹鋼中空纖維膜，生產(chǎn)和研發(fā)企業(yè)集中在美國、日本、歐洲。目前，我國無機(jī)膜以管式膜為主，無機(jī)中空纖維膜的核心制備技術(shù)及生產(chǎn)設(shè)備仍未能自主掌握。國內(nèi)無機(jī)中空纖維膜還未見商業(yè)化產(chǎn)品， 高性能無機(jī)中空纖維膜產(chǎn)業(yè)缺口巨大。未來，我國應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)無機(jī)中空纖維膜制備技術(shù)與裝備、高性能無機(jī)中空纖維膜新產(chǎn)品及高端應(yīng)用研究以及無機(jī)中空纖維膜工程應(yīng)用技術(shù)、裝備系統(tǒng)開發(fā)等。

（二）中空纖維膜應(yīng)用發(fā)展剖析

1. 水處理應(yīng)用

      我國具有世界最大的中空纖維膜水處理應(yīng)用市場。世界水處理市場規(guī)模已超過 1 萬億美元 ， 我國“十三五”時(shí)期的污水處理市場規(guī)模達(dá)到1.39 萬億元。膜法水處理市場份額快速增長，以中空纖維膜為代表的膜分離技術(shù)在世界膜法水處理市場占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位且呈快速增長態(tài)勢。隨著膜材料成本的持續(xù)下降、工藝穩(wěn)定性的不斷提高，加拿大、新加坡、英國、澳大利亞、以色列等國家先后建成了不同規(guī)模的超濾水廠；以內(nèi)襯超濾膜為核心的膜生物反應(yīng)器（MBR）技術(shù)憑借出水水質(zhì)好、占地面積小、運(yùn)行控制方便等優(yōu)勢，已在市政污水和工業(yè)廢水深度處理與回用方向得到廣泛應(yīng)用。未來， 為適應(yīng)環(huán)境和資源高質(zhì)量發(fā)展要求，我國應(yīng)加強(qiáng)基于界面過程的膜污染理論與控制策略研究，開發(fā)面向污水資源化與能源化的水處理新技術(shù)以及面向健康飲水的關(guān)鍵技術(shù)，研制高效模塊化的膜裝備，構(gòu)建“智慧水務(wù)”系統(tǒng)。

2. 石油化工應(yīng)用

      國際上，中空纖維膜在石油化工領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，在石油煉化、油田采出水和石化廢水處理、石化制品及衍生品生產(chǎn)、滲透汽化分離、高純氣體制備等方向擁有廣闊的市場。在我國石化行業(yè)， 中空纖維膜應(yīng)用集中在油田采出水和石化廢水處理、有機(jī)溶劑純化回收處理、氣體分離中揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）回收處理等方向。國內(nèi)涉及石化領(lǐng)域應(yīng)用的中空纖維氣體分離膜企業(yè)主要有大連天邦膜技術(shù)國家工程研究中心有限責(zé)任公司、大連歐科膜技術(shù)工程有限公司等，但年產(chǎn)值規(guī)模較小。未來， 我國應(yīng)加強(qiáng)在石化廢水深度處理、氣體分離方向的中空纖維特種膜材料、膜工藝及過程強(qiáng)化研究，開展分離膜組件、裝備和產(chǎn)品開發(fā)，實(shí)現(xiàn)石化廢水資源化利用、氣體分離、有機(jī)氣液物質(zhì)的分離純化等。

3. 生物醫(yī)藥應(yīng)用

      中空纖維膜在人工腎（血液透析）、人工肺（氧合膜）、血液成分分離、中西藥藥劑分離純化等生物醫(yī)藥領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。2019 年全球血液透析市場規(guī)模達(dá)到 800 億美元，預(yù)計(jì) 2025 年達(dá)到 1015 億美元。2018 年中國血液透析市場規(guī)模為335 億元，預(yù)計(jì)到 2025 年達(dá) 1125 億元。國際知名的中空纖維血液透析膜供應(yīng)商有德國費(fèi)森尤斯集團(tuán)、美國百特國際有限公司、美國達(dá)維塔保健合作公司、日本旭化成株式會(huì)社、德國 MEMBRANA 公司等。我國從事中空纖維血液透析膜生產(chǎn)的企業(yè)有山東威高集團(tuán)、廣州貝恩醫(yī)療設(shè)備有限公司、廣東寶萊特醫(yī)用科技股份有限公司等；國產(chǎn)產(chǎn)品約占我國血液透析膜市場份額的 40%，但核心技術(shù)及原材料仍源于國外。新型冠狀病毒肺炎疫情期間廣為人知的心肺系統(tǒng)重癥治療設(shè)備——體外膜肺氧合（ECMO，即人工肺），全球僅有德國邁維柯公司、美國美敦力公司、英國索林公司等 10 余家廠商具有研發(fā)生產(chǎn)能力，而我國在相關(guān)領(lǐng)域仍存在技術(shù)空白，亟待突破。未來，我國應(yīng)加強(qiáng)血液相容性中空纖維血液透析膜制膜原料及膜表面處理技術(shù)研究， 支持中空纖維氧合膜技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的科技創(chuàng)新、藥物分離純化和精密分離用中空纖維膜技術(shù)創(chuàng)新。

4.食品飲品應(yīng)用

      在數(shù)十年間，中空纖維膜在食品飲品領(lǐng)域的應(yīng)用迅速發(fā)展，涉及果汁飲料、乳品、豆制品、酒類等產(chǎn)品品質(zhì)與生產(chǎn)效率提升以及食品飲品行業(yè)廢水減排與資源回收等 。我國中空纖維膜技術(shù)在食品飲品領(lǐng)域的應(yīng)用與國外基本同步，蒙牛乳業(yè)（集團(tuán)）股份有限公司、伊利股份有限公司、光明乳業(yè)股份有限公司、北京匯源食品飲料有限公司等規(guī)模較大的飲品企業(yè)皆已使用膜技術(shù)提升產(chǎn)品品質(zhì)。我國自主研發(fā)的中空纖維超 / 微濾膜與國外同類產(chǎn)品相比，膜孔徑分布較寬，分離精度較差，抗污染性能不強(qiáng)；附加值較高的食品飲品等高端中空纖維超 / 微濾膜市場多被國外品牌占據(jù)。未來，我國應(yīng)加強(qiáng)食品級(jí)專用中空纖維膜材料及綠色制備技術(shù)、高精度抗污染中空纖維膜產(chǎn)品、膜耦合集成與分級(jí)分離技術(shù)的研究。

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