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水工业发展开辟水处理技术广阔市场

作者:恒发净水 来源:广州恒发净水科技有限公司 2018-6-7


      人类日常生活和工业生产所用的水,通常是清洁的淡水。然而,随着人口增长和社会经济的发展,水资源频频短缺,水源的水质不断恶化,全球的水危机状况日益加剧。发展以先进的膜分离技术为主要特征的水处理技术,已为水工业的发展开辟了广阔的市场。

  众所周知,膜技术是在半个多世纪前为解决“水的危机”而一步步地发展起来的,但是,膜市场的形成和发展仅仅是近十余年来的事情。新型的专业市场发展完全依懒于专业技术的进步。只有专业技术得到了创新,才能有专业市场的发展。当创新的膜技术为非专业人员能够掌握的时候,就是一个又一个与膜法相关的水工业公司诞生之时,也是膜法水工业市场的又一轮发展之际。这技术与市场的相关性在膜科技的发展进程中为尤其突出的一大特点。

  本文基于笔者自1977年2月开始的30余年来,先后在国家级科研单位、大学以及企业专门从事膜科学与应用工程的自身科研、教学经历以及翔实的相关文献,简要回顾在世界以及我国膜科技发展初期(至20世纪80年代)的一些重点重大的创新事件,扼要阐述近年来膜技术对水工业发展的支撑和保障作用,初步分析膜法水工业市场的必然发展趋势,从而展示膜技术在水和废水处理、药物、食品等工业中的巨大作用和重大效益。

  1.膜与水

  早在1952年,美国专设“盐水局(OSW)”,大力推进水资源开发和脱盐技术的进步。1960年,美国加利福尼亚大学S.Loeb和S.Sourirajan成功发明第一张高脱盐率、高通量的L-S型海水淡化反渗透(RO)膜,开启了RO膜技术解决淡水危机的实用化时代。以醋酸纤维素(CA)为膜材料的RO膜开始投入示范实验运行。1964年,先后报道了平板式的、管式的RO膜淡化海水(或苦咸水)的示范运用以及用CA膜开发成卷式的RO组件的结果。1967年,美国DuPont公司首次制成芳香聚酰胺膜中空纤维式RO组件,并于1972年将其发展成对NaCl具有高脱除率的PermasepB-9和B-10型膜组件进行销售,用于海水淡化或高浓度苦咸水脱盐。美国Gulf环境公司将开发成的ROGA-4000型卷式CA膜组件的RO装置,成功地用于电子工业清洗用的超纯水制造。旨在海水淡化,美国Dow化学公司开发出三醋酸纤维素(CTA)膜的RO组件;美国北极星研究所和UOP公司分别在PS支撑膜上界面缩合高分子,制成NS-100复合膜和PA-300复合膜。1978年,UOP公司用卷式PA-300复合膜在沙特建立运行了日产1.2万立方米的大型RO海水淡化装置;日本东洋纺公司开发出一级海水淡化用的CTA膜的中空纤维式组件;在沙特的伯索尔伯奇采用DuPont公司的B-9型膜组件,建立了一个日产5.07万立方米的淡水的RO淡化厂,含盐量为1,470毫克/升的深井苦咸水淡化成供给当地居民饮用的含盐量为200毫克/升的饮用水。1975年,日本栗田工业公司采用美国Gulf环境公司的ROGA-4160型卷式CA膜组件,在日本鹿岛钢厂以电导率为3,400μs/cm的当地北浦湖水为原水,建成了日产1.34万立方米淡水的苦咸水RO水厂,淡化水再经离子交换处理后用作锅炉给水。1977年,美国UOP公司将开发的20GA型卷式膜组件,在加利福尼亚州奥兰奇建造了日产水量为1.89万立方米的城市污水RO淡化工厂,该厂将污水厂排放的含盐量为1,100毫克/升的污水淡化至40毫克/升左右,淡水与二级污水混合后再注入深井中,防地下海水侵入。1980年,在美国基伟斯特市采用DuPont公司的B-10型膜组件,将含盐量为38,000毫克/升的海水淡化,日产含盐量370毫克/升的1.13万立方米的淡水供作当地居民饮用水。日本Toray公司在PS膜表面复合上聚醚系制成PEC-1000复合膜,可将中东的高温、高盐分海水一级淡化成饮用水。美国Dow化学公司FilmTech公司于1981年开发成在PS膜为支撑体的表面复合RO膜的FT-30卷式元件。

  1964年,美国学者Riley通过电子显微镜观察L-S型膜的断面,发现RO膜具有致密层和多孔层的两层结构。美国北极星研究所的P.S.Fransis根据两层膜的耐久性不同,最先报道了复合型RO膜的制作方法。1966年,该所的L.T.Rozelle和J.E.Cadotte将CA膜与多孔的聚砜(PS)膜复合,制成了比Fransis膜高5倍透水量的RO复合膜。PS多孔膜至今仍然是全球市场上销量最大的水处理用的复合膜的支撑膜。

  离子交换树脂于1938年在德国一开始工业化生产和销售,就被法国、日本的一些研究人员研制成水处理用膜。1940年,市场上出现交互插入阳离子交换膜和阴离子交换膜的多室结构的电渗析(ED)膜堆。美国Ionics公司在1952年公开了ED法水脱盐的小型装置后,于1954年在Texas州的一家电子公司中投入运行日产106立方米淡水的ED法苦咸水脱盐装置,并将该型ED装置销售给石油公司用于油井的地下苦咸水淡化。到了1960年,日本旭硝子公司开始连续生产年产量达3万平方米的由合成纤维增强的离子交换膜,并将该膜制成的ED装置用于日本化学制盐公司的海水浓缩制盐,ED装置的年产盐量达1万吨。1961年,日本旭化成公司在川崎建成年产14万平方米的均相离子交换膜工厂。高耗电和高极化现象是ED技术应用的主要障碍。为此,1967年,Ionics公司和以色列Negew研究所分别开发了可以使电耗大幅度下降的高温ED脱盐工艺。随后,Ionics公司于1970年开始销售采用倒极ED工艺制成的大型ED装置,该套装置的苦咸水淡化水的日产量达1万立方米。1980年,日本德山曹达公司开发了省能型一级海水淡化ED器,日产淡水150立方米,吨水耗电8.3度。

  尽管早在1861年就有发现超滤(UF)现象的报告,但是,直到1961年美国A.S.Michaels用高分子电解质成功地开发出对不同分子量大小的溶质进行分子水平筛分的UF膜,UF技术才开始进入实用阶段。1969年,美国Amicon公司和Abcor公司分别制造、销售荷电高分子膜的UF组件和内压式CA膜的管式UF装置。1970年代,UF膜法在美、欧的一些国家开始用于乳清的处理、电泳涂装生产线。丹麦DDS公司将开发的UF膜于1978年开始在瑞典一家牛皮纸厂安装了一个4段连续式废水处理系统,截止1980年,该公司在欧洲、日本等地建造的处理造纸废水的UF膜和RO膜系统,在回用清洁水的同时,年回收的高价值副产物(以固体计)约2万吨。从1981年开始,UF膜法在含油废水(例如钢铁压延工艺排放水)、中水(大楼排放的污水)回用等得到大规模应用。UF膜的应用迅速拓展到非水处理体系的分离,例如将Amicon公司的PM-10UF膜进行固定化酶制成酶膜反应器,成功实现在膜装置上淀粉的连续糖化。

  我国开始研究膜与膜过程的时间几乎与国外同期。上世纪60至70年代,我国主要以“海水淡化会战”的形式,组织一批来自大学、部队、科研所的人员进行ED技术、RO膜技术、蒸馏方法的科研工作,取得了初步的膜科技成果,例如1977年底,圆板式RO海水淡化膜及其装置首次通过科技鉴定。1981年在我国西沙永兴岛建成了采用ED法的海水淡化站,该成果荣获1983年我国第一次全国科技大会三等奖。在80至90年代初,主要是通过开门搞科研的形式,我国膜科技人员将一些膜科技成果送到乡镇企业中去生长,逐步培育成了中国特色的初期膜法水处理市场。与此同时,依据国家目标,通过实施“七五”、“八五”国家科技攻关计划项目,重点突破了RO膜与组器及其在电子工业超纯水制备、电力工业锅炉给水软化、医药工业纯水制造中应用的关键技术。“国产反渗透膜装置及其应用工程技术”成果荣获1992年国家科学技术进步奖一等奖。膜技术系列成果的实用性和工程应用的可靠性,推动着膜技术市场的迅速发育和发展。不仅有从事膜科研的人员开始转向去创办公司、开辟市场,更有国外的膜制造商、工程公司先后纷纷进入中国的膜法水处理市场。随着“九五”国家科技攻关计划项目先后在我国嵊山泗礁岛和长山岛的RO法海水淡化示范工程的建立运行,以及膜法废水处理工程项目的成功实施,我国一个以RO、UF以及纳滤(NF)、渗透汽化(PV)、微孔过滤(MF)、膜生物反应器(MBR)等为主体的膜法水处理技术体系开始形成,我国的膜法水工业市场进入繁荣发展时期。

  2.膜法水工业的主要市场

  1)海水淡化

  海水淡化是从海水中获取淡水的技术和过程。我国国民经济和社会发展“十五”规划中,已将海水淡化列为可持续发展的资源开发项目。2002年可持续发展世界首脑会议发表联合国资料称,到2025年全世界淡水需求量将增加40%。海湾工业咨询组织在2002年报告中指出,未来30年全球海水淡化需求量将在2000年日产量2,400万立方米的基础上,以9%以上的年增长率上升。

  到2012年世界RO膜及设备的市场将达到约56亿美元,与2007年34亿美元的市场相较,五年之内增长迅速,其中RO收入的一半即大约28亿美元将来自脱盐应用。在中东地区,RO脱盐膜和设备市场与2007年的4.37亿美元相比,将达到约7.36亿美元。阿尔及利亚计划在未来5年内建造14个海水淡化厂,到2011年,通过海水淡化每天产水量将超过23亿立方米。美国和欧洲到2012年的RO海水淡化市场的销售收入将分别达到约8.8亿美元和4.18亿美元,南美的将从2007年的1,300万美元增至2012年的2,300万美元。

  据2008年的资料报道,海德能的母公司日东电工株式会社向其设在日本滋贺县的膜生产厂投资了约6,000万美元,该工厂将采用最新的涂层和自动化技术,以使生产能力较原来大幅提高60%。扩建后的滋贺厂将同美国的海德能及其位于中国上海的姊妹厂共同巩固其全球的膜市场份额。日东电工未来5年内的全球扩张计划将使其膜的生产能力提升至现在的三倍。该公司称,到2012年仅通过海水淡化就可为1亿多人口提供清洁饮用水,新的扩展产量可以满足全球对RO膜元件日益增加的需求,从而为解决全球水资源短缺问题作出贡献。

  RO可以广泛地应用于所有工业部门,脱盐市场仍然是RO的半壁江山。RO海水淡化寻求替代能源,例如风能、波浪能和太阳能,在降低RO造水费用的同时,将推动相关技术市场的发展。

  2)市政给水净化

  可以认为,几乎在每一个市场,市政部门都是首先被考虑的对象。因为城市水的供应和质量直接影响到所有人,无论在发达国家还是发展中国家的一个典型现象就是市政是被首先投资的部门。美国商业通信公司(BCC)于2008年的一份“城市水处理的先进技术”报告称,美国的先进市政水处理技术市场预计以平均每年12.4%的速度增长,2003年约为13亿美元,2008年将达到24亿美元。在所有的先进技术,即膜过滤、臭氧消毒、紫外线杀菌中,关于饮用水污染的政府法规是预测新技术市场增长的最重要的依据。美国和加拿大于20世纪90年代的水传播疾病爆发实实在在地说明了常规水处理过程的低效率和存在的高度风险性。由于UF提供了一个对细菌和病毒的绝对障碍,越来越多的公众开始认识到UF膜法用作饮用水处理是一个更安全的选择,即低压膜包括MF和UF生产饮用水是一个安全保障技术,其市场潜力巨大。

  McIlvaine公司经过5年多的调查显示,市政供水设施可以用UF膜很容易地达到未来的新法规可能规定的清除病毒的要求,这将大大有助于市场的增长。据来自BCC研究机构的一项最新的“超滤膜市场”研究报告,美国UF膜的市场在2005年为5.79亿美元,2006年为6.35亿美元,年增长率达7.4%,到2011年将达到9.08亿美元。

  市政给水水源的短缺激发了苦咸水脱盐和微污染水净化制取饮用水的工程建设。海德能公司于2003年向位于美国佛罗里达州好莱坞市的水厂供应2,700支新型的低污染ESNA1-LF型NF膜元件以取代于1995年安装的一套7系列的海德能膜元件,日产水量68,100立方米。该NF产水经与井水调配,供给14万余人的饮用水。

  可见,饮用水生产是UF、NF膜市场的一个新的增长点。

  3)废水及污水回用

  BCC于2008年的一份题为“不断扩大的水和废水技术市场”的研究报告显示,全球水和废水技术及产品市场增长前5名的是中国、印度、墨西哥、埃及和澳大利亚。通过基于世界范围的分析显示,市政供水和废水处理的总支出在2005、2006和2007年分别为80.66、95.75和112.90(亿美元),预计该项支出将以22.2%的年增长率增长,到2012年将达到397.09亿美元。该公司称,工业用水和废水处理设备的市场在2005、2006和2007年分别为32.56、39.26和46.96多(亿美元)。BBC的研究预测,按其目前的增长趋势,该市场到2012年将会达到101.11亿美元,年增长率为14.2%。虽然这部分市场通常规模较小,而且往往在市政和基础设施项目实施之后才得以实现,但是对工业废水影响供水的严重性正在被越来越多的人认识,刺激着政府建立相关标准和规章。

  海德能公司和日本三菱丽阳工程公司(MRE)与新加坡的国家公用事业局(PUB)达成了协议,联合开发膜法废水回收利用技术(NEWater工程)。海德能生产的用于废水回用的低污染RO膜元件和MRE的膜生物反应器(MBR)在新加坡的NEWater计划中发挥了重要作用。

  BCC称,美国在消耗的全世界约40%的膜产品中,水和废水处理大约占了膜分离应用需求的一半。RO和NF正在经历两位数的增长速度,主要是体现在海水淡化市场的蓬勃发展以及不断增加的过程水处理和废水回用的应用中。MF和UF除了在饮用水和工艺用水方面的需求外,增长最快的是用于MBR处理废水。

  4)特种流体分离

  食品、药品的质和量的安全,人人敏感。膜除了对常规的水进行处理应用外,在食品包括农产品加工过程的流体分离、生物质和药物等流体的纯化的应用方兴未艾,市场前景广阔。McIlvaine公司于2006年的题为“反渗透/超滤/微滤世界市场”的报告表明,用于净化水和其它液体的膜组件和设备市场,从2006年的76亿美元将增长到2010年的100多亿美元。该膜市场的销售总额中,RO占50%,另一50%的市场份额几乎被UF和MF平分。UF被用作RO前的预过滤、果汁净化等的过程应用及饮用水的处理。MF所需能量最低,在饮用水净化、废水处理和食品工业中流体分离方面已被证明是优于常规技术的。

  在食品和饮料行业,UF已成为生产乳制品和果汁产品的标准设备,正在发展成新的应用。蛋白质分离、谷物和其它轧制产品加工、营养保健品生产和废水处理(特别是肉类和家禽产业),膜分离技术是必需的,其潜在市场正在凸现。

  作者简介:

  蔡邦肖,工学硕士,浙江工商大学食品与生物工程学院教授,研究员,食品科学硕士生导师,环境工程硕士生导师;1977年2月至2004年2月先后在国家海洋局第二海洋研究所海水淡化研究室、国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心任高级工程师、研究员、科技处处长;2004年3月进入浙江工商大学后即创建膜科学与工程研究所并任所长;2009年8月注册成立浙江司大膜工程有限公司,为该公司法人兼总经理.



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