膜技术应用行业发展研究.docx
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膜技术应用行业发展研究
2019年膜技术应用行业发展研究
(一)行业基本概念
1、膜的简要介绍
膜是具有选择性分离功能的材料,当膜两侧存在推动力时(如压力差、浓度差、电位差等),原料组分选择性地透过膜。
利用膜的选择性分离可以实现不同液体或气体组分的分离、分级、浓缩与提纯,由于不需要发生形态的变化,膜分离技术特别适合应用于无相变和无化学变化的分离过程,已广泛应用于医药、生物、食品、石化、能源、水处理等领域,产生了巨大的经济效益和社会效益。
膜材料是膜技术的基础和核心,膜材料的性质和化学结构对膜分离性能起决定性地作用,根据不同分类方法膜有很多种类。
(1)根据膜的孔径
根据膜孔径的大小或阻留微粒的表观尺寸大小可分为微滤膜(Microfiltration,MF)、超滤膜(Ultrafiltration,UF)、纳滤膜(Nanofiltration,NF)和反渗透膜(ReverseOsmotic,RO)。
(2)根据膜的材质
膜的材质决定了膜的化学性能,从而决定了膜的亲水性、抗污染性、耐酸碱性、耐油脂性、耐有机溶剂性、耐高温性、耐日光性等主要化学性能指标。
膜的亲水性越强,抗污染性就越高;膜的化学稳定性越好,耐酸碱性、抗氧化性越强,则膜的耐用性越好。
根据膜材质的不同,膜可分为无机膜和有机膜,无机膜是由无机材料,如金属、金属氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石材料等制成的半透膜;有机膜是由高分子材料加工复合而成,如聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚砜、聚砜、聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯腈、芳香族聚酰胺、醋酸纤维素等。
有机膜的选择性广,可根据不同用途、不同性能、不同分子切割量,有选择性地制成各种膜,但当原料具有强酸、强碱、强腐蚀性、高温及高浓度有机污染特征时,有机膜容易发生腐蚀和膜孔堵塞。
有机膜和无机膜的主要特征比较如下表所示:
(3)根据膜的构型
膜的构型与其制作工艺有关,一般分为中空纤维膜、平板膜、管式膜、卷式膜,几类主要不同构型的膜性能比较如下表所示:
2、膜分离技术的简要介绍
现有的过滤分离处理技术按其技术发展阶段的不同主要分为传统过滤分离技术,膜分离技术,以及基于树脂等特殊分离材料而实现的分离技术。
(1)传统过滤分离技术
传统过滤分离技术按其作用原理的不同,主要分为物理法和化学法。
这类过滤技术对物料适应性强,但只能实现固液分离,或简单的大分子杂质去除,无法做到精细分离纯化。
①物理法
物理法是指利用物理作用如重力,将液体中呈悬浮状态的物质分离。
物理法主要包括蒸馏法、机械分离法和吸附法。
蒸馏是将水加热至沸点,气化后冷却浓缩形成水。
杂质会在不同温度下气化得以分离或形成残留物。
其主要缺点是过程中需要消耗大量的能量,使得操作费用昂贵;设备需要周期性维护以去除污垢和有机沉淀物,使得维护费用较高;由于上升的水蒸气可能携带微生物至冷凝器,从而造成蒸馏水的二次污染。
机械分离是利用自然力如压力、重力和热力分离水和杂质,其方法包括沉淀、沉积、蒸发、气浮等。
其主要缺点是分离效率较低且需要大量能耗。
吸附是利用物质内部的分子和周围分子有互相吸引的引力的原理分离水和杂质,所以液体或固体物质的表面可以吸附其他的液体或气体,尤其是在物质表面面积很大的情况下,这种吸附力能产生很大的作用,所以工业上经常利用大面积的物质进行吸附,如活性炭等。
其主要缺点是活性炭无法去除细菌和病毒,如不能及时清理,极易被微生物寄生。
②化学法
化学法是指利用化学反应作用,将杂质或污染物质分离、转化,化学方法主要为化学处理。
化学处理是利用化学药剂与杂质或污染物质反应使之絮凝沉淀或转化为无害物质的方法,如臭氧化、混凝、脱卤等。
其主要缺点是在大规模应用处理效率不高;进水可能包括不同杂质或污染物质,无法同时有效去除;反应产生的副产品可能有害。
(2)膜分离技术
膜分离技术是一种新型的分离技术,主要是基于分子量级别的精细分离技术,可以根据目标物质分子量不同而实现分离,精度可以达到纳米级别,适用于产品的精制和深加工,但由于对物料预处理要求较高,一般需要与传统过滤技术结合使用,对膜材质和构型选择要求更为专业化。
膜分离技术的基本原理为料液经压力驱动通过亲水多微孔表面,大于膜孔径的物质被膜截留形成截留液,而小于膜孔径的物质透过膜形成透析液。
膜分离技术和传统分离技术相比,通常使用超滤/微滤全部或部分代替澄清、过滤、活性炭吸附和杀菌过程,以反渗透代替蒸发、纳滤则能够使浓缩与脱盐过程同时进行。
和传统分离技术相比,膜分离技术具有如下明显的优点:
①物理方法,无相变,无化学反应;
②膜分离过程在常温下操作,能耗小;
③无须加入其他化学物质,节能原材料;
④分离效率高,操作方便,占地面积小;
⑤废液排放少,环境污染小;
⑥出水水质稳定,设备维护简单。
目前,由于经济的快速发展和环境污染日益严重,突出的能源消耗问题、水稀缺和水污染问题逐渐威胁到经济和社会安全,同时随着全社会日益重视可持续发展和清洁生产,膜分离技术在多个领域有广泛的应用。
常见的膜分离技术主要包括:
①微滤、超滤技术
澄清纯化分离所采用的技术主要是微滤、超滤技术,由于其所能截留的物质直径大小分布范围广,被广泛应用于固液分离、大小分子物质的分离、脱除色素、产品提纯、油水分离等工艺过程中。
可采用的膜组件主要有:
陶瓷膜、平板膜、不锈钢膜、有机管式膜。
微滤、超滤分离技术可取代传统工艺中的自然沉降、板框过滤、真空转鼓、离心机分离、溶媒萃取、树脂提纯、活性炭脱色等工艺过程。
②纳滤技术
纳滤技术最显著特点是在截留那些可透过超滤的低分子有机物及重金属,同时又能透滤被反渗透截留的部分无机矿物质,使浓缩与脱盐的过程同步进行,从而达到特定的分离纯化要求。
浓缩提纯技术可采用的膜组件主要有:
卷式膜、管式膜。
纳滤分离技术常被用于取代传统工艺中的冷冻干燥、薄膜蒸发、离子交换除盐、树脂工艺浓缩等工艺过程。
③反渗透技术
反渗透是渗透的反向迁移运动,是一种在压力驱动下,借助于半透膜的选择截留作用将溶液中的溶质与溶剂分开的分离方法。
反渗透技术广泛应用于各种液体的提纯与浓缩,其中最普遍的应用实例便是在水处理工艺中,用反渗透技术将原水中的无机离子、细菌、病毒、有机物及胶体等杂质去除,以获得高质量的纯净水。
因具有产水水质高、运行成本低、无污染、操作方便运行可靠等诸多优点,而成为海水和苦咸水淡化,以及纯水制备的最节能、最简便的技术。
④MBR技术
MBR是将膜分离技术与生化处理技术结合的一种新型污水处理工艺,它是利用膜微孔截留的作用,将好氧或厌氧系统的活性污泥截留在反应器中,通过提高活性污泥浓度、延长泥龄,来提高COD、BOD等污染因子的降解效率,达到排放标准。
同时,由于是经过超滤膜过滤,出水澄清,还可省却二沉池,减少废水处理系统占地面积。
(3)基于树脂等特殊分离材料而实现的分离技术
树脂等特殊分离材料主要是利用树脂的独特性能实现分离,如大孔树脂、凝胶树脂、活性炭、硅胶等,目前工业上广泛应用的是树脂和活性炭,而树脂由于种类繁多功能强,更是得到大规模应用。
对于很多传统分离技术和膜分离技术无法解决的问题,可以通过树脂工艺得到有效的处理,如大多数无机盐离子的脱除或者离子态产品的纯化经常使用离子交换工艺;而对于分子结构相近、同分异构体、手性拆分产品则采用色谱分离工艺。
3、膜产业链
膜产业链主要包括膜材料研制、膜组件生产、膜设备制造、膜软件开发和膜技术应用。
膜技术应用要求综合解决方案提供商能够根据客户的个性化需求,根据不同物料的组成及其不同组分的特性,选择不同的膜材料,开发适宜的膜应用技术工艺和软件,从而获取最好的膜过滤速度和截留效果,进而提高产品质量、增加生产收率、降低资源消耗、减少污染排放和优化投资与运行成本。
(二)行业发展情况
1、市场概况
(1)膜产业总体发展概况
高性能分离膜作为新型高效分离技术的核心,具有高分离性能、高稳定性、低成本和长寿命等特征,是实现节能减排和环境保护的重要基础材料,在石油化工、医药、食品、电子、水处理与净化、海水淡化和空气净化等领域具有良好的应用前景。
国外在高性能分离膜领域起步较早,发展较为成熟,尤其是在反渗透膜领域已基本形成了垄断局势。
美国、日本和欧洲在高性能分离膜领域的领先优势尤为明显。
其中,美国在高性能分离膜领域依旧占据世界领先地位,其代表性企业有覆盖面较大的陶氏杜邦公司、美国科氏滤膜系统有限公司(KochMembraneSystems,Inc)、懿华水处理技术公司(EvoquaWaterTechnologiesLLC)等。
我国的膜技术研究及应用虽然相对国外来讲起步较晚,但从2000年以后,膜技术应用的解决方案项目数量和规模增速较快,膜技术应用发展迅速,成为世界瞩目的新兴市场。
国际著名膜技术企业将中国的水处理领域作为其重要开发及战略市场,根据前瞻产业研究院的统计,2018年我国整个膜产业市场规模预计达到1,900亿元,2014年至2018年我国膜产业市场的年均增长率保持在17%以上,预计我国的膜产业将继续保持两位数以上的增幅。
单位:
亿元
(2)陶瓷膜产业发展概况
国外陶瓷膜研究始于20世纪40年代,早期主要在核工业领域中应用于铀同位素的分离浓缩,而后逐渐应用到生物医药、化工领域。
20世纪90年代,国内科研机构成功实现了陶瓷膜材料及制备研究方面的技术突破,经过多年发展,国内陶瓷膜在技术水平和产品质量等方面已经达到国际领先水平。
根据PolarisMarketResearch的统计,2017年全球陶瓷膜市场规模达到38.1亿美元,到2026年预计达到97.2亿美元。
经过十多年的发展,我国的陶瓷膜及成套装备在生物与医药、化工、食品饮料领域的应用已经形成一定规模。
陶瓷膜行业从2010年开始呈现出快速增长的势头,年度安装面积从2010年的3万多平方米增长至2014年的5.3万平方米。
2014年我国陶瓷膜市场构成如下图所示:
2、行业经营特点
(1)行业利润水平及变动趋势
①膜技术应用
因为膜技术应用属于高新技术,市场需求旺盛,能够提供整体综合解决方案的企业较少,技术壁垒和行业技术附加值较高,本行业总体利润水平较高。
预计未来本行业仍将保持较高的毛利率水平。
膜技术应用综合解决方案的应用领域和技术门槛不同,对应的利润水平也存在一定的差异。
由于膜技术在工业料液分离、废水处理及回用、污水处理、给水净化、海水淡化(含苦咸水淡化)等应用领域的处理对象与应用工艺难度上都存在差异,不同业务利润水平表现出一定的差别。
即使在同一应用领域,也会由于客户料液与处理工艺难度的不同而使得业务利润水平略有差别。
但随着环境保护力度的不断加大,污水、废水排放达标标准的不断提高及饮用水使用标准的逐步升级,市场需求的逐步释放,膜技术应用行业利润整体将继续维持较高水平。
②水务投资运营
政府对价格与服务质量等进行监管。
水价确定机制以市场机制为基础,并遵循以下几条原则:
(1)成本补偿原则;
(2)合理利润原则;(3)反映市场变化、及时调整价格原则;(4)用户公平负担原则;(5)提高资源配置效率原则。
在特许经营模式下,政府由原来的直接运作者变为市场监管者和公众利益代表者,通过独立的监管体系和公开、公平、公正的监管制度,在保护公众利益的同时,也保障投资、运营企业的利益。
(2)行业周期性、区域性和季节性特征
①膜技术应用
A.周期性
膜技术应用行业,其发展与经济周期的变化紧密相关,很大程度上受到国民经济运行情况以及工业固定资产投资规模波动的影响。
在国民经济发展的不同时期,国家的宏观政策会有所调整,该类调整将直接或者间接影响到膜技术应用行业的发展。
随着我国水资源的日益紧缺,环保要求的逐步提高,膜技术应用作为朝阳产业,受益于国民经济快速增长和大
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