国内外高性能分离膜产业现状
发布时间：2020-06-09 11:07
公司名称：山东木府环保科技有限公司
1
-高性能分离膜材料的基本情况-
01
高性能分离膜材料定义
国际理论与应用化学联合会（IUPAC）给出的膜的定义为：膜是一种单位结构，其三维中的一个维度尺寸比另2个维度要小很多，并可在推动力下进行质量传递。因此，不论是固相、气相还是液相的膜，都可以符合上述定义，其中，最常见的为固相。
分离膜是具有选择性透过功能的特殊的膜，其特殊通透性，可起到浓缩和分离纯化特定一种或几种物质的作用。高性能分离膜材料具有高分离性能、高稳定性、低成本和长寿命等特征，是新型高效分离技术的核心材料，在解决水资源、环境问题、能源问题等方面发挥着重大的作用。
02
战略意义
膜技术与传统的过滤、精馏、萃取等分离技术相比，是一种新型高效的分离技术，具有能耗低、分离效率高、无污染等特点。在当代多数工业中，膜技术将扮演重要角色，在水资源、能源、环境、传统产业改造等领域都将膜技术提升到了战略高度。膜技术广阔的发展及应用前景，促使其在新材料和资源综合利用领域中的位置更加重要。《中国制造2025》路线图（2015年版）中，明确指出了作为关键战略材料的高性能分离膜材料的发展重点方向，包括海水淡化反渗透膜、陶瓷膜、离子交换膜、渗透汽化膜等产品，并明确了各自产品的战略发展目标。
2
-国内外分离膜技术的现状及分析-
01
分离膜技术现状
由于目前全球面临的水资源不足和污染严重问题制约了社会经济发展，水处理与净化已经成为世界各国在政策、经济、科学、技术方面都十分重视的领域。2015年中国专利技术开发公司的全球水处理膜材料相关调研显示，在全球布局的水处理膜材料专利申请中，有超过1/3的专利申请来自于日本，有接近1/3的专利申请来自于美国，来自于中国的专利申请占全球总量的11%，位列第3，之后是德国和韩国，专利申请数量分别占全球总量的6%和5%。此次统计主要研究对象是以压力差为分离驱动力的过滤式膜材料，包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）以及反渗透（RO）等膜片材料。专利数据来自于欧洲专利检索系统（EPO-QUE）。可以看出，日本和美国企业几乎垄断了全球水处理膜材料的国际市场，尤其是在海水淡化反渗透膜、离子交换膜、耐溶剂纳滤膜等领域。
我国从20世纪50年代起开始发展膜技术，起步较晚，但近年来我国的膜产业得到了长足的发展与持续的增长。《高性能膜材料科技发展“十二五”专项规划》等文件的发布，极大地推动了我国高性能分离膜产业的发展。在《“十三五”国家科技创新规划》中也将高性能膜材料定为重点研究方向之一。我国近年来对高性能膜材料予以持续支持，从事分离膜研究的高校和科研机构超过120家，生产企业超过400余家，工程公司近2000家，其中大约有30个研究团队活跃在国际学术前沿，在几乎所有的分离膜领域都开展了相关的研究工作。
国外高性能分离膜的研究主要集中在美日欧、澳大利亚等国家及地区。研究的重点主要有：膜材料的开发、新型膜的制备以及制膜工艺的创新等，技术应用的领域主要包括气体和液体等分离。目前，石墨烯、碳纳米管、共价有机框架、MoS2、MXene等二维材料及人工水通道等新型纳米材料在构筑高性能分离膜方面的优势已愈加凸显，尤其在纳滤、反渗透、气体分离、渗透汽化等具有限域传质效应的分离膜领域，极大推动了分离膜领域发展。
02
主流技术
（1）反渗透膜
反渗透膜是一种人工半透膜，它是反渗透技术的核心构件。反渗透膜能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等。具有耗能低、无污染、工艺简单、操作简便等优点。
反渗透膜具有高效的脱盐率、较高的机械强度和使用寿命、可耐受化学或生物化学作用的影响，受pH值、温度等因素影响较小等特点。这些特性使反渗透技术成为最经济的海水淡化技术，应用于绝大多数膜法海水淡化工程。目前反渗透膜的研究主要是通过对界面聚合的单体进行筛选和优化，进一步提高反渗透特性。虽然众多的反渗透膜材料单体层出不穷，但研究还停留在试验筛选阶段，无法根据理论设计获得符合预测的膜材料单体。
近年来，我国以反渗透膜技术为核心，在工业废水处理、市政污水处理等方面都有1万m³/d以上规模的示范工程完成，成为膜法水资源再利用的技术发展趋势。
（2）纳滤膜
纳滤膜是一种功能性半透膜，孔径一般在1～2nm，它可以允许溶剂分子或特定的低分子量溶质或低价离子透过。它截留物质的大小约为纳米尺度，截留的有机物分子量约为150～500。纳滤膜分为有机膜和无机膜。有机纳滤膜主要采用界面聚合方法制备，其微结构调控方法也与反渗透膜相近。无机材质的纳滤膜具有优异的热稳定性和耐溶剂特性，是当前纳滤膜发展的一个重要方向。
目前，已商品化的纳滤膜大多数是以界面聚合制得的芳香聚酰胺复合膜，膜上荷电基团多为负电荷，羧基、酰胺基，带磺酸基等，如美、日等国已近年相继研制开发了芳香聚酰胺类、聚哌嗪酰胺类、磺化聚(醚)砜类等商业化复合型平板或卷式纳滤膜。
饮用水的软化和有机物的脱除是纳滤膜最主要的应用范围，在脱盐和浓缩方面，纳滤膜逐渐取代了传统的离心分离、加热蒸发等方式；纳滤膜也可用于污水废水的处理再生水回用。我国的纳滤膜市场规模只相当于反渗透膜的1/10，能生产纳滤膜的国内企业极少，缺乏批量生产高质量纳滤膜能力，纳滤膜的应用领域和使用规模也还有拓展空间。
（3）超滤膜和微滤膜
超滤和微滤膜都是多孔膜，由于工作压力较低，所以也统称为低压膜，用于水体除菌除浊，或流体中的固/液分离，有用物质回收等。
超滤膜的材质主要为聚砜（PSu）、聚丙烯腈（PAN）、聚醚砜（PES）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氯乙烯（PVC）等。而微滤膜材质主要为醋酸纤维素（CA）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯（PTFE）等。但目前只有聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）使用量较大，而由于其良好的物理性能、强度和耐腐蚀性，聚偏二氟乙烯（PVDF）的使用量在全球范围均为第1。
（4）气体分离膜
气体分离膜是一种选择性膜，其对不同种类的气体分子具有不同的透过率和选择性，因此气体分离膜可以从气体混合物中选择性分离某种特殊气体。如合成氨尾气中收集氢气、从空气中富集氧气、从石油裂解混合其中分离氢气、一氧化碳等气体。目前，富氧膜是气体分离膜的主要研究对象。制作富氧膜的高分子材料，要求兼具高透过性和高选择性。我国目前在二氧化碳分离膜、有机蒸汽分离膜方面与国外先进水平相当，富氧分离膜和氢分离膜领域与国外先进水平还有一定差距。
3
-分离膜产业市场竞争分析-
01
RO膜市场品牌竞争格局
在中国整个膜市场中，用量最大的是反渗透膜，大约占膜行业市场份额的56%，其中国外品牌占领了约85%-88%的市场，美国陶氏化学公司和海德能公司分别占26%-30%的市场，剩余的被日本东丽公司、韩国熊津等公司占领。目前我国的反渗透膜技术已经非常成熟，性能有了很大提高，膜的脱盐率也得到增强，并在国际市场受到欢迎。
另外，国产品牌在性价比方面与国外同类型产品相比也具有很大优势。在性能方面，国产品牌北京时代沃顿公司生产的膜产品在抗氧化、抗污染能力等方面都非常优秀，其销售额每年以40%的速度增长，并且出口销售额已经占到该公司整体销售额的40%，出口主要面向欧美、东南亚等国家。
0201
UF/MF膜市场品牌竞争格局
与反渗透膜市场被陶氏和海德能两大巨头占据所不同，目前国内的超滤膜市场还没有形成垄断局面。目前的市场格局如下：以科氏为代表的几个国外知名品牌占据了国内高端市场，中低端市场被国内众多超滤厂家瓜分，其中的代表企业有天津膜天膜和海南立昇。天津膜天膜是国内最早开发出PVDF系列中空纤维膜产品及成套装置的公司，也是国内在该方面技术最成熟的公司，它在中空纤维微滤膜、超滤膜的相关研究技术上已达到很高水平。现在国内的超滤膜企业正在以燎原之势发展壮大。
尽管中国的整体水平与国外相比还有差距，但并不是全面落后，有些企业的产品甚至超过了国外水平。例如海南立昇公司的专利产品聚氯乙烯合金超滤膜，是中国民族膜品牌的一个突破，其在截留性能、抗污能力、使用寿命和耐碱性等方面均已超过了国外产品，而价格仅为国外同类产品的50%左右。目前该产品已经在欧美、日本、韩国、台湾等国家与地区获得了应用。
4
-未来的发展趋势-
01
趋势分析
从发展重点看，膜技术未来发展的重点方向包括：推广应用领域包括海水淡化和苦咸水淡化;处理微污染水，保证饮水安全;实现工业废水和市政污水资源化;进军新能源电池隔膜挑战性领域;提升水准医疗用膜和医用检测膜水准;加强重大技术设备的核心膜开发。与此相适应，开发适用于重点应用领域的高性能膜的规模化制造技术，实现膜组器的优化和革新，建设膜技术为核心的处理工程。
目前来看，我国在无机膜、有机无机复合膜等领域已具有较强的国际竞争力。其主要是利用相转化和高温烧结的方法制备而成。因其成膜材料和成膜方法的限制，传统的分离膜孔径分布不均匀、选择分离层较厚，制约了分离通量和分离选择性的同步、大幅提升，这就是“上限平衡”效应。因此，克服“上限平衡”效应，设计制备具有均一孔径尺寸及纳米级厚度的高性能膜材料，实现高精度、高通量分离，是目前分离膜领域的重要发展方向。
0201
发展建议
（1）持续加强基础研究
膜分离过程不可避免地会面临着膜污染、劣化等问题，这些问题都会极大地影响分离效率和使用寿命。建议国家部委和相关研究机构加强顶层设计和宏观管理，持续稳定地支持相关基础研究，推动我国高性能分离膜产业在“十三五”末期获得一定的技术突破。
（2）鼓励协同创新，促进技术进步
依托分离膜产业的优秀科研团队和龙头企业，建设一批高水平的技术中心、工程中心，推动高校与企业协同开发与联合攻关模式，促进科技成果的快速转移转化工作。
（3）建立标准体系和评价中心
建立健全膜产品（包括膜、膜组件和膜装置）的国家标准和行业标准，推动建立膜工程的技术标准；推动膜产品性能检测方法和标准的建设，完善膜产品的市场准入制度。
（4）建立多元投资机制
推动膜产业多元化投资机制的形成，促进我国膜产业的快速发展，提升国际竞争力。积极利用各专项资金、优惠政策，充分挖掘市场潜力，鼓励和引导社会资本进入，探索产业基金等形式，大力推动我国向着膜产业强国的转变。
（来源：中国海水淡化与水再利用学会）
-高性能分离膜材料的基本情况-
01
高性能分离膜材料定义
国际理论与应用化学联合会（IUPAC）给出的膜的定义为：膜是一种单位结构，其三维中的一个维度尺寸比另2个维度要小很多，并可在推动力下进行质量传递。因此，不论是固相、气相还是液相的膜，都可以符合上述定义，其中，最常见的为固相。
分离膜是具有选择性透过功能的特殊的膜，其特殊通透性，可起到浓缩和分离纯化特定一种或几种物质的作用。高性能分离膜材料具有高分离性能、高稳定性、低成本和长寿命等特征，是新型高效分离技术的核心材料，在解决水资源、环境问题、能源问题等方面发挥着重大的作用。
02
战略意义
膜技术与传统的过滤、精馏、萃取等分离技术相比，是一种新型高效的分离技术，具有能耗低、分离效率高、无污染等特点。在当代多数工业中，膜技术将扮演重要角色，在水资源、能源、环境、传统产业改造等领域都将膜技术提升到了战略高度。膜技术广阔的发展及应用前景，促使其在新材料和资源综合利用领域中的位置更加重要。《中国制造2025》路线图（2015年版）中，明确指出了作为关键战略材料的高性能分离膜材料的发展重点方向，包括海水淡化反渗透膜、陶瓷膜、离子交换膜、渗透汽化膜等产品，并明确了各自产品的战略发展目标。
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-国内外分离膜技术的现状及分析-
01
分离膜技术现状
由于目前全球面临的水资源不足和污染严重问题制约了社会经济发展，水处理与净化已经成为世界各国在政策、经济、科学、技术方面都十分重视的领域。2015年中国专利技术开发公司的全球水处理膜材料相关调研显示，在全球布局的水处理膜材料专利申请中，有超过1/3的专利申请来自于日本，有接近1/3的专利申请来自于美国，来自于中国的专利申请占全球总量的11%，位列第3，之后是德国和韩国，专利申请数量分别占全球总量的6%和5%。此次统计主要研究对象是以压力差为分离驱动力的过滤式膜材料，包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）以及反渗透（RO）等膜片材料。专利数据来自于欧洲专利检索系统（EPO-QUE）。可以看出，日本和美国企业几乎垄断了全球水处理膜材料的国际市场，尤其是在海水淡化反渗透膜、离子交换膜、耐溶剂纳滤膜等领域。
我国从20世纪50年代起开始发展膜技术，起步较晚，但近年来我国的膜产业得到了长足的发展与持续的增长。《高性能膜材料科技发展“十二五”专项规划》等文件的发布，极大地推动了我国高性能分离膜产业的发展。在《“十三五”国家科技创新规划》中也将高性能膜材料定为重点研究方向之一。我国近年来对高性能膜材料予以持续支持，从事分离膜研究的高校和科研机构超过120家，生产企业超过400余家，工程公司近2000家，其中大约有30个研究团队活跃在国际学术前沿，在几乎所有的分离膜领域都开展了相关的研究工作。
国外高性能分离膜的研究主要集中在美日欧、澳大利亚等国家及地区。研究的重点主要有：膜材料的开发、新型膜的制备以及制膜工艺的创新等，技术应用的领域主要包括气体和液体等分离。目前，石墨烯、碳纳米管、共价有机框架、MoS2、MXene等二维材料及人工水通道等新型纳米材料在构筑高性能分离膜方面的优势已愈加凸显，尤其在纳滤、反渗透、气体分离、渗透汽化等具有限域传质效应的分离膜领域，极大推动了分离膜领域发展。
02
主流技术
（1）反渗透膜
反渗透膜是一种人工半透膜，它是反渗透技术的核心构件。反渗透膜能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等。具有耗能低、无污染、工艺简单、操作简便等优点。
反渗透膜具有高效的脱盐率、较高的机械强度和使用寿命、可耐受化学或生物化学作用的影响，受pH值、温度等因素影响较小等特点。这些特性使反渗透技术成为最经济的海水淡化技术，应用于绝大多数膜法海水淡化工程。目前反渗透膜的研究主要是通过对界面聚合的单体进行筛选和优化，进一步提高反渗透特性。虽然众多的反渗透膜材料单体层出不穷，但研究还停留在试验筛选阶段，无法根据理论设计获得符合预测的膜材料单体。
近年来，我国以反渗透膜技术为核心，在工业废水处理、市政污水处理等方面都有1万m³/d以上规模的示范工程完成，成为膜法水资源再利用的技术发展趋势。
（2）纳滤膜
纳滤膜是一种功能性半透膜，孔径一般在1～2nm，它可以允许溶剂分子或特定的低分子量溶质或低价离子透过。它截留物质的大小约为纳米尺度，截留的有机物分子量约为150～500。纳滤膜分为有机膜和无机膜。有机纳滤膜主要采用界面聚合方法制备，其微结构调控方法也与反渗透膜相近。无机材质的纳滤膜具有优异的热稳定性和耐溶剂特性，是当前纳滤膜发展的一个重要方向。
目前，已商品化的纳滤膜大多数是以界面聚合制得的芳香聚酰胺复合膜，膜上荷电基团多为负电荷，羧基、酰胺基，带磺酸基等，如美、日等国已近年相继研制开发了芳香聚酰胺类、聚哌嗪酰胺类、磺化聚(醚)砜类等商业化复合型平板或卷式纳滤膜。
饮用水的软化和有机物的脱除是纳滤膜最主要的应用范围，在脱盐和浓缩方面，纳滤膜逐渐取代了传统的离心分离、加热蒸发等方式；纳滤膜也可用于污水废水的处理再生水回用。我国的纳滤膜市场规模只相当于反渗透膜的1/10，能生产纳滤膜的国内企业极少，缺乏批量生产高质量纳滤膜能力，纳滤膜的应用领域和使用规模也还有拓展空间。
（3）超滤膜和微滤膜
超滤和微滤膜都是多孔膜，由于工作压力较低，所以也统称为低压膜，用于水体除菌除浊，或流体中的固/液分离，有用物质回收等。
超滤膜的材质主要为聚砜（PSu）、聚丙烯腈（PAN）、聚醚砜（PES）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氯乙烯（PVC）等。而微滤膜材质主要为醋酸纤维素（CA）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯（PTFE）等。但目前只有聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）使用量较大，而由于其良好的物理性能、强度和耐腐蚀性，聚偏二氟乙烯（PVDF）的使用量在全球范围均为第1。
（4）气体分离膜
气体分离膜是一种选择性膜，其对不同种类的气体分子具有不同的透过率和选择性，因此气体分离膜可以从气体混合物中选择性分离某种特殊气体。如合成氨尾气中收集氢气、从空气中富集氧气、从石油裂解混合其中分离氢气、一氧化碳等气体。目前，富氧膜是气体分离膜的主要研究对象。制作富氧膜的高分子材料，要求兼具高透过性和高选择性。我国目前在二氧化碳分离膜、有机蒸汽分离膜方面与国外先进水平相当，富氧分离膜和氢分离膜领域与国外先进水平还有一定差距。
3
-分离膜产业市场竞争分析-
01
RO膜市场品牌竞争格局
在中国整个膜市场中，用量最大的是反渗透膜，大约占膜行业市场份额的56%，其中国外品牌占领了约85%-88%的市场，美国陶氏化学公司和海德能公司分别占26%-30%的市场，剩余的被日本东丽公司、韩国熊津等公司占领。目前我国的反渗透膜技术已经非常成熟，性能有了很大提高，膜的脱盐率也得到增强，并在国际市场受到欢迎。
另外，国产品牌在性价比方面与国外同类型产品相比也具有很大优势。在性能方面，国产品牌北京时代沃顿公司生产的膜产品在抗氧化、抗污染能力等方面都非常优秀，其销售额每年以40%的速度增长，并且出口销售额已经占到该公司整体销售额的40%，出口主要面向欧美、东南亚等国家。
0201
UF/MF膜市场品牌竞争格局
与反渗透膜市场被陶氏和海德能两大巨头占据所不同，目前国内的超滤膜市场还没有形成垄断局面。目前的市场格局如下：以科氏为代表的几个国外知名品牌占据了国内高端市场，中低端市场被国内众多超滤厂家瓜分，其中的代表企业有天津膜天膜和海南立昇。天津膜天膜是国内最早开发出PVDF系列中空纤维膜产品及成套装置的公司，也是国内在该方面技术最成熟的公司，它在中空纤维微滤膜、超滤膜的相关研究技术上已达到很高水平。现在国内的超滤膜企业正在以燎原之势发展壮大。
尽管中国的整体水平与国外相比还有差距，但并不是全面落后，有些企业的产品甚至超过了国外水平。例如海南立昇公司的专利产品聚氯乙烯合金超滤膜，是中国民族膜品牌的一个突破，其在截留性能、抗污能力、使用寿命和耐碱性等方面均已超过了国外产品，而价格仅为国外同类产品的50%左右。目前该产品已经在欧美、日本、韩国、台湾等国家与地区获得了应用。
4
-未来的发展趋势-
01
趋势分析
从发展重点看，膜技术未来发展的重点方向包括：推广应用领域包括海水淡化和苦咸水淡化;处理微污染水，保证饮水安全;实现工业废水和市政污水资源化;进军新能源电池隔膜挑战性领域;提升水准医疗用膜和医用检测膜水准;加强重大技术设备的核心膜开发。与此相适应，开发适用于重点应用领域的高性能膜的规模化制造技术，实现膜组器的优化和革新，建设膜技术为核心的处理工程。
目前来看，我国在无机膜、有机无机复合膜等领域已具有较强的国际竞争力。其主要是利用相转化和高温烧结的方法制备而成。因其成膜材料和成膜方法的限制，传统的分离膜孔径分布不均匀、选择分离层较厚，制约了分离通量和分离选择性的同步、大幅提升，这就是“上限平衡”效应。因此，克服“上限平衡”效应，设计制备具有均一孔径尺寸及纳米级厚度的高性能膜材料，实现高精度、高通量分离，是目前分离膜领域的重要发展方向。
0201
发展建议
（1）持续加强基础研究
膜分离过程不可避免地会面临着膜污染、劣化等问题，这些问题都会极大地影响分离效率和使用寿命。建议国家部委和相关研究机构加强顶层设计和宏观管理，持续稳定地支持相关基础研究，推动我国高性能分离膜产业在“十三五”末期获得一定的技术突破。
（2）鼓励协同创新，促进技术进步
依托分离膜产业的优秀科研团队和龙头企业，建设一批高水平的技术中心、工程中心，推动高校与企业协同开发与联合攻关模式，促进科技成果的快速转移转化工作。
（3）建立标准体系和评价中心
建立健全膜产品（包括膜、膜组件和膜装置）的国家标准和行业标准，推动建立膜工程的技术标准；推动膜产品性能检测方法和标准的建设，完善膜产品的市场准入制度。
（4）建立多元投资机制
推动膜产业多元化投资机制的形成，促进我国膜产业的快速发展，提升国际竞争力。积极利用各专项资金、优惠政策，充分挖掘市场潜力，鼓励和引导社会资本进入，探索产业基金等形式，大力推动我国向着膜产业强国的转变。
（来源：中国海水淡化与水再利用学会）
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