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        行業新聞

        我國中空纖維膜技術與產業發展戰略研究

        中空纖維膜是功能纖維材料與分離膜技術交叉形成的新型膜技術產品,具有單位體積裝填密度高、過濾面積大、占地面積小、成本相對低等優勢,成為分離膜領域中發展最快、規模最大、產值最高的一類新型膜技術產品。中空纖維膜技術已成為環境保護、資源回收、新能源產業等領域共性關鍵技術和傳統產業升級的重要共性支撐(見下圖),被發達國家列入重點優先發展方向,也是我國戰略新興產業、科技創新發展規劃的關鍵組成,如高性能分離膜技術被納入《中國制造2025》重點工程項目。本文從膜材料、應用技術等多維度研究國內外中空纖維膜技術與產業發展現狀,分析我國中空纖維膜技術與產業發展面臨的關鍵問題、技術與政策瓶頸,明晰中空纖維膜技術與產業發展的重點任務和措施建議。通過總結和分析我國中空纖維膜技術和產業發展態勢,為我國相關技術與產業實現高質量發展提供科學建議。

         

            二、中空纖維膜技術與產業發展需求分析

            (一)發展中空纖維膜技術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進步和經濟發展的瓶頸。我國主要城市中超過2/3的城市缺水,年缺水總量超過4×1010t。同時,我國每年污水排放量超過7.5×1010t,而得到有效處理與回用的不足15%,造成嚴重的水資源浪費、水污染問題。膜分離技術被公認為是實現污水資源化、保障飲用水安全最有效的技術手段。隨著近年來我國生活飲用水衛生標準的提高、城鎮污水和工業廢水排放標準的不斷完善,自來水廠升級改造、污水/廢水處理廠提標改造將進入了快速發展期,為中空纖維膜技術和產業發展帶來新機遇和新要求。

            (二)中空纖維膜技術是推動傳統產業升級和新興產業發展的重要支撐

            近年來,中空纖維膜技術應用范圍已經從水處理迅速拓展到石油化工、醫藥、生物、食品、電子、能源、大氣污染控制以及航天、軍工等領域,并逐漸替代蒸餾、萃取、吸附等傳統分離技術,成為傳統產業技術升級、新興產業發展的重要支撐,為節能減排、清潔生產、產品品質與系統效率提升提供創新性技術支撐。因此,發展中空纖維膜技術是實現諸多行業高質量發展的戰略需求。

            (三)中空纖維膜高端技術和產業的創新發展日趨緊迫

            歷經50多年的發展,我國在反滲透、超濾和微濾等膜材料、組件及裝置方面已經建立了較為完備的研發與產業體系,具有較強的國際影響力和競爭力;但膜科學基礎及應用研究與國際頂尖水平仍有差距,高精度、高性能、特種分離膜產品與國際一流產品相比仍有較大差距,龐大的高端膜市場仍被國外企業壟斷。面對發達國家對關鍵高新技術封鎖或保護的不到局面,推動我國中空纖維膜技術和產業創新發展的需求日趨緊迫。

            三、國內外中空纖維膜技術與產業發展分析

            在產能和市場規模方面,我國已經成為中空纖維膜的生產和應用大國。2018年全球中空纖維膜市場規模達1100億元,并以11%的年復合增長率持續高速發展,2025年將達到2451億元。從市場區域分布來看,全球中空纖維膜市場集中在亞洲、北美、歐洲等地區。國外主要中空纖維膜生產廠商有蘇伊士環境集團、科氏工業集團、杜邦公司、旭化成集團、三菱麗陽株式會社、東洋紡株式會社、西門子股份公司等。這些知名企業以其品牌和技術優勢,占據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模穩步增長,2015年約為110億元,2020年達到300億元(占全球市場的20.7%、亞洲市場的50.1%),預計2025年達到600億元。2020年,我國從事中空纖維膜研發、設計、生產的企業有近200家,總產能超過1×108m2/a,但年產值億元以上的企業僅有十余家,產值及技術實力與國外企業相比仍有顯著差距。下面從中空纖維膜材料、膜應用等細分方向對中空纖維膜的發展現狀和后續研發重點進行進一步分析。

            (一)中空纖維膜材料發展剖析

            1.中空纖維超/微濾膜

            中空纖維超/微濾膜是我國產量最大、發展最為成熟、市場競爭力最強的膜品種。2018年全球中空纖維超/微濾膜市場規模約為935億元,2020年到1232億元;2018年我國中空纖維超/微濾膜市場規模約為196億元,2020年達到267.9億元。國際中空纖維超/微濾膜行業生產技術已基本成熟,形成了需求穩定、產業充分競爭的市場格局;美國、日本、歐洲等發達國家和地區在高性能中空纖維超/微濾膜產品和技術創新能力上處于領先地位。國內中空纖維超/微濾膜優勢企業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業有限公司、鹽城海普潤科技股份有限公司、北京賽諾膜技術有限公司、山東招金膜天股份有限公司等;通過原始創新與技術集成,推出了各具特色的新技術、新工藝、新產品,大量應用于國內外大型水處理工程。未來,我國應繼續強化在中空纖維超/微濾膜領域的產業和技術優勢,重點加強中空纖維超/微濾膜綠色制備技術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研究,推動中空纖維超/微濾膜產業的數字化轉型。

            2.中空纖維納濾膜

            由于中空纖維納濾膜制備技術的復雜性,高性能中空纖維納濾膜還未能實現工業化生產。國外長期從事中空纖維納濾膜開發的膜企業有美國科氏工業集團、德國贏創工業集團、新加坡藍海機械有限公司等。我國中空纖維納濾膜的研發主體以高等院校、科研院所為主,如天津工業大學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業化探索,建成了年產能為4×105m2的實驗生產線,實現了界面聚合法中空纖維納濾膜的連續穩定制備。未來,我國應繼續加快中空纖維納濾膜的產業化進程,重點開展中空纖維納濾膜高精度一體化連續制備技術與裝備的開發研究,力爭在世界率先實現中空纖維納濾膜的規?;a。

            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用廣度方面都落后于國外同類產品。反滲透膜分離技術已成為海水和苦咸水淡化、純水和超純水制備的主流技術,在全球海水與苦咸水淡化市場的比重超過70%。2019年,全球反滲透膜產值已超過60億美元。我國是全球最大的反滲透膜消費國,占全球總消費量的26%。日本東洋紡公司是當前國際上唯一的中空纖維反滲透膜(醋酸纖維素膜)供應商;天津膜天膜科技股份有限公司開發了年產能為4×105m2的中空纖維反滲透膜實驗生產線,但產品分離性能仍待提升。未來,我國應繼續加強中空纖維反滲透膜專用聚合物材料合成與結構控制等基礎研究,開展高性能中空纖維反滲透膜連續化制備關鍵技術、高效率組件填充工藝理論等研究。

            4.中空纖維疏水膜

            疏水膜技術已經成為資源、環境、新能源及傳統產業物料分離純化的重要手段,在生物醫藥領域展現出強勁的發展勢頭,相應應用市場規模達100億美元。國外在中空纖維疏水膜產業方面具有明顯的技術優勢,疏水膜生產企業主要有日本住友電氣工業株式會社、三菱麗陽株式會社,美國明尼蘇達礦業及機器制造公司(3M)、默克密理博公司、戈爾公司等。國外膜科技與產業界逐步形成了以疏水膜微結構調控與超疏水膜制備、新型膜接觸器設計與過程強化方法、面向新應用領域的疏水膜過程工藝開發等為主的研發布局。我國中空纖維疏水膜產業起步雖晚,但已初具規模,逐步建立了從疏水膜研發、產業化到工程應用的技術與產業鏈,并在超疏水膜技術方向初步形成領先優勢。未來,我國應繼續加強高性能中空纖維疏水膜材料制備關鍵技術、中空纖維疏水膜組件、膜過程與強化方法、裝備–集成系統和應用關鍵技術等研究,特別是開展中空纖維疏水膜在人工肺等生物醫藥領域的專項研發。

            5.無機中空纖維膜

            國外無機中空纖維微濾、超濾、納濾膜已經實現規?;a。2016年全球中空纖維陶瓷膜市場規模為9900萬美元,預計2025年達到2億美元。國外已產業化的無機中空纖維膜主要是Al2O3陶瓷和不銹鋼中空纖維膜,生產和研發企業集中在美國、日本、歐洲。目前,我國無機膜以管式膜為主,無機中空纖維膜的核心制備技術及生產設備仍未能自主掌握。國內無機中空纖維膜還未見商業化產品,高性能無機中空纖維膜產業缺口巨大。未來,我國應重點加強無機中空纖維膜制備技術與裝備、高性能無機中空纖維膜新產品及高端應用研究以及無機中空纖維膜工程應用技術、裝備系統開發等。

            (二)中空纖維膜應用發展剖析

            1.水處理應用

            我國具有世界最大的中空纖維膜水處理應用市場。世界水處理市場規模已超過1萬億美元,我國“十三五”時期的污水處理市場規模達到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在世界膜法水處理市場占據絕對主導地位且呈快速增長態勢。隨著膜材料成本的持續下降、工藝穩定性的不斷提高,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模的超濾水廠;以內襯超濾膜為核心的膜生物反應器(MBR)技術憑借出水水質好、占地面積小、運行控制方便等優勢,已在市政污水和工業廢水深度處理與回用方向得到廣泛應用。未來,為適應環境和資源高質量發展要求,我國應加強基于界面過程的膜污染理論與控制策略研究,開發面向污水資源化與能源化的水處理新技術以及面向健康飲水的關鍵技術,研制高效模塊化的膜裝備,構建“智慧水務”系統。

            2.石油化工應用

            國際上,中空纖維膜在石油化工領域已經得到廣泛應用,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、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,中空纖維膜應用集中在油田采出水和石化廢水處理、有機溶劑純化回收處理、氣體分離中揮發性有機物(VOCs)回收處理等方向。國內涉及石化領域應用的中空纖維氣體分離膜企業主要有大連天邦膜技術國家工程研究中心有限責任公司、大連歐科膜技術工程有限公司等,但年產值規模較小。未來,我國應加強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、膜工藝及過程強化研究,開展分離膜組件、裝備和產品開發,實現石化廢水資源化利用、氣體分離、有機氣液物質的分離純化等。

            3.生物醫藥應用

            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藥領域得到廣泛應用。2019年全球血液透析市場規模達到800億美元,預計2025年達到1015億美元。2018年中國血液透析市場規模為335億元,預計到2025年達1125億元。國際知名的中空纖維血液透析膜供應商有德國費森尤斯集團、美國百特國際有限公司、美國達維塔保健合作公司、日本旭化成株式會社、德國MEMBRANA公司等。我國從事中空纖維血液透析膜生產的企業有山東威高集團、廣州貝恩醫療設備有限公司、廣東寶萊特醫用科技股份有限公司等;國產產品約占我國血液透析膜市場份額的40%,但核心技術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重癥治療設備——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余家廠商具有研發生產能力,而我國在相關領域仍存在技術空白,亟待突破。未來,我國應加強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研究,支持中空纖維氧合膜技術和產業的科技創新、藥物分離純化和精密分離用中空纖維膜技術創新。

            4.食品飲品應用

            在數十年間,中空纖維膜在食品飲品領域的應用迅速發展,涉及果汁飲料、乳品、豆制品、酒類等產品品質與生產效率提升以及食品飲品行業廢水減排與資源回收等。我國中空纖維膜技術在食品飲品領域的應用與國外基本同步,蒙牛乳業(集團)股份有限公司、伊利股份有限公司、光明乳業股份有限公司、北京匯源食品飲料有限公司等規模較大的飲品企業皆已使用膜技術提升產品品質。我國自主研發的中空纖維超/微濾膜與國外同類產品相比,膜孔徑分布較寬,分離精度較差,抗污染性能不強;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。未來,我國應加強食品級專用中空纖維膜材料及綠色制備技術、高精度抗污染中空纖維膜產品、膜耦合集成與分級分離技術的研究。

            (三)中空纖維膜技術整體科研態勢分析

            從研究論文和專利來看,我國已是世界中空纖維膜的研究大國。2008—2019年全球發表的中空纖維膜技術相關SCI論文共計4314篇,其中我國發文數量為1476篇,占世界總量的34.22%,明顯領先其他國家。但從總被引頻次來看,新加坡國立大學排名第一,新加坡南洋理工大學排名第二;中國入榜單位有浙江大學、天津工業大學、中國科學院,分別位列第五、第六、第七,這說明我國中空纖維膜技術創新質量仍待提高。世界涉及中空纖維膜技術的專利申請共計6525項,排名前二十的機構共申請3093項,占全部專利項數的47.4%。在中空纖維膜國際專利申請量機構排名中,日本企業占據前五位,且前二十名中共有8家日本企業;我國僅有中國石油化工股份有限公司(第六)、天津工業大學(第七)進入排名。中空纖維膜領域的中國專利申請共3150項,占全球專利申請總量的48.28%,但專利權人以國外企業為主,國內機構的專利占比仍處于劣勢。

            四、我國中空纖維膜技術和產業存在的問題

            經過50多年的發展,我國分離膜技術和產業發展都取得了長足的進步,建立了適合國情的膜材料設計與制備的理論框架,形成了一系列具有自主知識產權、性能良好的膜產品,開發了系列膜集成技術和裝備。但與美國、日本、歐洲等膜產業強國和地區相比,我國中空纖維膜技術和產業當前還存在明顯不足,主要表現在以下4個方面。

            (一)制膜原材料國產化率低,分離膜品質仍待提升

            制備微/超濾膜、反滲透、氣體分離膜等的主要傳統膜原料,如聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PES)、聚砜(PSF)、三醋酸纖維素(CTA)、聚甲基戊烯(PMP)等國產化率低,國產原料在分子量、分布指數控制等方面與國外同類產品還有較大差距,部分材料被國外禁運。剖析原因,我國膜科技產業與上游原材料產業的協同創新不充分,專用聚合物材料的開發、科技攻關投入不足。因此,我國亟需針對膜材料需求,構建聚合物材料開發、聚合反應控制、分離膜成形等多學科協同創新機制,在重點分離膜原材料領域實施技術突破,打破國外技術與產品壟斷。

            (二)分離膜品類較單一,關鍵膜技術產品存在空白

            國產膜品種較少,僅集中在中空纖維膜超/微濾膜等單一方向,產品多應用于附加值較低的中低端領域;與國外同類產品相比,存在品質穩定性低,膜分離精度、抗污染性能有待提升等問題。我國血液氧合、特種分離等膜技術與產品市場仍被國外企業壟斷,是當前亟需突破的“卡脖子”環節。剖析原因,我國在醫用疏水膜、新膜技術開發等方向的投入力度不足,“產學研用”協同缺失,創新成果轉化滯后。因此,我國應針對重點應用和國家戰略需求,靈活組建“產學研用”技術和產業協同創新團隊,集中力量開展科技攻關,盡快實現科技與產業突破。

            (三)自主創新意愿不強、創新活力與能力不足、技術與產品迭代滯后

            國內企業跟蹤開發的產品較多,自主創新的產品較少,獲得專利數量偏少;知識產權保護力度不夠,企業自主創新意愿不強,導致國產膜材料的市場競爭力較低,高端市場占有率極低;“產學研用”合作機制不健全,研發與產業需求脫節嚴重,成果轉移和轉化存在障礙。剖析原因,國家對企業投入科技研發、協同創新的引導與支持政策仍顯不足,對科技成果轉化的推動與保護政策有待完善。

            (四)市場規范管理與標準化建設有待完善

            我國在中空纖維膜產業整體發展規劃、產業技術標準化建設方面存在明顯的短板。中空纖維膜產業技術標準制定相對滯后,產業標準執行不到位,知識產權保護和維護機制不健全。這些問題導致市場上國產產品同質化現象嚴重,且多集中于低科技含量產品方向;產品質量參差不齊,企業創新投入動力不足,嚴重影響了中空纖維膜技術與產業的高質量發展進程。

            五、中空纖維膜技術和產業的發展目標與主要任務

            當前,中空纖維膜領域的重點工作有:解決一系列“卡脖子”問題并開發前瞻性技術,支持原創研究與產品研發,推進具有應用潛力的新膜技術產業化,利用膜技術促進傳統產業升級并拓展膜技術在新興產業的應用,推動供給側結構性改革和高端制造戰略實施。

            到2025年,重點解決中空纖維膜領域的一系列“卡脖子”問題,在制膜原材料、高端分離膜制造與應用等方面初步形成國際競爭力;中空纖維超/微濾膜行業達到國際領先水平,在部分新膜及生物醫用專用膜方向實現產業化突破;顯著提高傳統膜原材料的自給率,開發新型自具微孔聚合物(PIM)材料、有機框架(MOF/COF)材料、聚甲基戊烯(PMP)、分子篩膜材料,聚芳硫醚等特種分離膜原材料及相應的制膜技術與裝備。

            到2030年,重點開發一系列前瞻性中空纖維新膜技術,實現膜技術在新興產業領域的廣泛應用;中空纖維納濾膜、中空纖維無機膜達到國際先進水平,氣體分離、生物醫藥和食品飲品等領域專用中空纖維膜技術達到國際領先水平;實現中空纖維膜產業的數字化轉型,建立完善的廢膜回收與再利用技術體系。

            為此,我們建議在以下4個方向重點開展研究工作,支持相關膜技術的開發與產業化應用。

            (一)開展高性能中空纖維超/微濾膜的綠色制造與產業數字化轉型

            逐步改變制膜原材料長期依賴進口的不利局面,開發制膜原材料的綠色規?;€定合成工藝;發展中空纖維超/微濾膜的智能化生產工藝,實現制造過程的自動化、智能化、標準化,支持膜結構的精準調控。推動產業數字化轉型,開發萬噸級模塊化處理系統、節能型中空纖維膜過濾系統,建立基于全過程信息感知、智能決策、自動控制、精準管理的分離膜產品運營與智能控制平臺,逐步實現“智慧水務”。

            (二)開發高品質中空纖維疏水膜并進行產業化

            開發新型超疏水聚合物原材料,加強中空纖維疏水膜表界面與孔結構精確調控方法研究,實現孔徑均一、疏水穩定性佳、傳質效率高的中空纖維疏水膜產業化,全面提升國產疏水膜品質,打破ECMO膜等高端中空纖維疏水膜產品的國外壟斷。開展超疏水、雙疏型中空纖維膜構建方法研究,實現超疏水、雙疏型中空纖維膜連續可控制備。增強面向工程應用的中空纖維疏水膜組件、裝備、過程強化方法、集成技術體系開發,促進中空纖維疏水膜在資源提取、新能源、生物醫藥科技等領域的創新應用。

            (三)研發中空纖維新膜技術并進行工程示范

            準確把握分離膜國際前沿研究方向,加快推進中空纖維納濾、反滲透膜、無機中空纖維膜等產業化技術開發,加強正滲透、智能響應、催化分離、親和與動態傳輸、儲能及色譜膜技術等創新研究。探索構建綠色高效的新膜過程、過程強化及多過程耦合增效方法,實現關鍵新膜產品的規?;苽渑c工程示范。

            (四)研究廢舊膜產品回收與再利用技術

            研究膜材料失效機理,建立膜材料成分、理化性能、微結構演化模型與評估方法,開發膜材料延壽與再制造新工藝,最大化利用廢舊膜材料。研究再制造膜材料與應用過程匹配技術,形成廢舊復合膜材料高效回收與高值再利用成套技術。研究膜材料標識與識別技術,開發膜材分揀技術,建立專業技術服務平臺,實現廢舊膜產品的資源化再利用,解決每年數千萬平方米膜組件退役產生的大量固體廢物與資源浪費問題。

            六、對策建議

            (一)創新人才管理模式,激發產業科技創新動力

            中空纖維膜技術涉及紡織、材料、化工、環境、機械、控制等多個學科領域,然而具有多學科交叉知識背景的專業人員極為短缺。建議探索更加靈活開放的人才培養機制,促進以多學科為基礎的分離膜專業高端人才培育;建立以行業龍頭企業、膜相關的國家重點實驗室和國家工程中心為主體的高性能膜材料創新中心,促進科技隊伍的多學科交流合作與創新,加強膜領域貫通式人才隊伍培養。整合制膜原材料(上游)、制膜裝備和膜制備技術(中游)、膜應用(下游)技術和產業的全鏈條資源,垂直建立產業聯盟,激發產業科技創新動力,不斷提升我國膜產業技術水平。

            (二)加大資源投入,促進膜材料創新研究

            綜合性運用財政投資政策、稅收優惠政策、融資優惠政策、人才政策;充分運用市場機制,鼓勵和引導社會資金進入膜產業市場;探索產業投資基金、風險投資基金等投資形式,通過國家投入帶動社會投資,引導各類金融機構資金支持膜產業快速發展。加大國家基礎領域研究項目對制膜原材料基礎與應用研究的支持力度,鼓勵社會資本介入創新鏈并向創新鏈前端延伸,借助社會資本的市場敏感性和企業家精神,提升技術開發的有效性、時效性和轉化效率。

            (三)強化行業規范,增強知識產權保護和標準化工作

            建議實行嚴格的知識產權保護制度,健全知識產權維權援助體系;研究制定降低中小企業知識產權保護及維權成本的政策措施;強化知識產權運用,鼓勵和支持運用知識產權參與市場競爭,引導有序競爭。加強能效標準、水效標準建設以及不同應用領域膜技術的標準規范建設,推進廢舊膜絲回收和再利用的規范工作;加大與主要貿易國的標準互認力度,以國外膜工程示范應用為基礎,共同開展國際標準研究和國際標準制定。

            (四)加強國際合作,開拓國際市場

            結合“一帶一路”倡議的頂層布局,以膜技術為紐帶,加強科技人文交流,建立國家間聯合實驗室,搭建中空纖維膜產業國際化發展合作與服務平臺;加強品牌國際化建設,為中空纖維膜企業“走出去”提供技術、信息、政策需求支撐;推動水處理等技術的跨國應用與轉移,服務“一帶一路”沿線國家的環境保護需求。

         

        文章來源:材料委天津院T|T

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