交流ㅣ 陶瓷膜材料在节能减排领域的应用

2015年第4期

节能减排是国家倡导节约能源资源、发展循环经济、保护生态环境的一项重要内容，也是国家加快培育和发展的7个战略性新兴产业之一。节能减排领域的技术需求和政策实施，也进一步促进了节能减排领域新材料、新技术的不断发展和技术水平的不断提高。过滤与分离技术是实施节能减排的重要技术之一，在众多的过滤与分离材料中，高性能陶瓷膜材料由于具有耐高温、耐高压、耐化学腐蚀、过滤效率高、使用寿命长等许多优良特性，成为一种新兴的环保节能过滤与分离材料，在高温气体净化与水处理这两个重要的节能减排领域应用尤为广泛。

高温气体净化与高温烟尘治理是当前节能减排领域一项重要工作。伴随煤化工、冶金冶炼、电力、化工及建材工业等行业的快速发展，这些领域每年都要产生大量含有许多微细杂质粒子及有毒化学物质的高温气体，造成大气污染、温室效应、气候变暖等诸多问题。据统计，我国工业废气排放量近10年间年均增长10%以上，目前每年排放高温含尘气体达到数10万亿立方米，废气中烟尘排放量达到1000万吨以上。这些含尘气体一方面温度很高（多数大于300℃），另一方面则是粉尘粒子细小（10微米以下占50%以上），处理难度很大。可以说，解决这些高温含尘气体的净化技术难题是缓解当前解决环境和能源危机的关键问题之一，也是当前减少大气污染物排放、实施PM2.5控制、提高余热综合利用效率的一个非常重要的节能减排措施。

现有的高温气体净化技术主要包括旋风除尘、静电收尘、颗粒床收尘、袋收尘和陶瓷膜高温过滤收尘等。在现有的除尘设备中，国内常用的热气体净化装置主要为旋风除尘器，但其实际运行效率较低，约为90％，分级效率dc50约为6.5~8.5微米，即使采用三级旋风除尘处理，其排出物中浓度仍将数倍于NSPS（New Source Performance Standard，美国环境保护署发布的《新固定源排放标准》）的最大极限，也达不到我国现行的烟气排放标准。布袋式除尘器虽然具有较高的尘粒子去除效率，但受布袋耐温性（最高260℃）和耐腐蚀性影响，过滤前通常需要预先对高温热气体进行降温处理。气体冷却不但需要庞大的冷却控温系统，增加气体处理量和处理成本，造成大量余热浪费，而且冷却后气体中易结露、酸性气体析出会造成粘袋和布袋腐蚀等问题，严重影响滤袋使用寿命和除尘效率。

据统计，目前国内袋收尘技术滤袋使用寿命受气体介质影响较大，短的仅有1~3个月，长的在3年左右，滤袋腐蚀和穿透是影响滤袋使用寿命和除尘效率的主要因素。相对而言，陶瓷膜过滤材料尤其是高孔隙率纤维质陶瓷膜材料具有使用温度高（最高900℃）、过滤精度高（0.5微米以微粒去除效率99.8%以上）、过滤阻力小（接近滤袋阻力）、使用寿命长（3~8年）、适用范围广等显著优点，可在工况条件下直接对各种高温气体进行净化，可以有效解决现有滤袋耐温低、易腐蚀、易穿漏、易结露、使用寿命短以及易烧蚀等问题。这样既减少冷却系统投资与运行费用，防止物料结露造成过滤效率下降，又可以充分利用大量高温余热，真正起到节能减排效果。

高温陶瓷膜过滤技术是近20年来国际上高温气体粒子控制最主要发展技术。为了促进高温陶瓷膜材料及高温陶瓷膜气体净化技术发展，世界上许多国家都做了大量研究、开发和推广工作。上世纪70年代，日本Asahi玻璃公司开发的熔融堇青石（MgO·Al₂O₃·SiO₂）质高温陶瓷滤过滤元件就开始在化铁炉等冶炼炉内高温烟尘净化方面推广应用。80年代，英国Caldo环境工程有限公司、法国glosfume公司先后开发成功低密度纤维质高温陶瓷膜过滤材料及过滤装置，并广泛应用于冶金冶炼、垃圾焚烧、气体洗涤、生物质气化等高温气体净化领域。此后，先进的燃煤发电技术、煤化工技术发展，促进了高温陶瓷膜材料及过滤技术快速发展。上世纪90年代，美国能源部曾组织多家机构对各种高温热气体除尘技术进行详细技术、经济对比评价，最终也认为高温陶瓷膜过滤技术是当前热气体净化领域最具有发展和应用前途的技术之一。近20年来，国内外在热气体净化用陶瓷膜材料及技术方面已得到突飞猛进的发展，产业规模和市场份额不断扩大。其中法国glosfume公司自1990年至今已有400与套大型过滤装置在10余个国家推广应用，美国Anguil环境系统公司采用陶瓷过滤和催化技术设计开发的自洁式高温陶瓷过滤装置目前已有1600余台在全球各领域推广应用。

以1万平方米陶瓷膜材料应用为例，可年处理各种高温气体50多亿立方米，减少高温粉尘粒子排放数万吨。如果经其处理的高温余热完全利用，则相当于每年节约近百万吨标准煤。预计到2025年，在一些特殊高温气体净化领域如冶金冶炼、石油化工、玻璃、水泥、新型建材、垃圾焚烧、煤化工等领域应用高温陶瓷膜材料年需求量将达到百万平方米以上，由此产生的经济效益和社会效益非常显著。可以说，高温陶瓷膜材料发展及过滤技术推广对于推动国家倡导的节能减排、高效余热综合利用、PM2.5控制实施具有积极意义。

废水处理与零污染排放是节能减排工作的另一项重要内容。膜分离技术作为当前国际水处理技术主要发展方向之一，近年来在水处理技术中应用日益广泛。作为三大膜材料之一，陶瓷膜材料具有过滤精度高、使用寿命长、出水水质好、运行稳定等优点，目前已在钢厂循环水处理、含油废水处理、焦化废水处理、印染废水处理、电厂冷凝水处理以及工厂工艺水处理和工业废水、城市污水处理等领域广泛应用。如采用0.8微米陶瓷膜材料处理高浓度含油废水，处理后油含量≤5mg/l，悬浮物含量≤1mg/l，使用寿命可以达到5年。采用0.2微米陶瓷膜处理印染废水，其色度去除率可以达到90%以上，COD去除率85%以上。尤其是近年来国际发展的MBR膜生物反应器水处理技术，具有膜分离技术与生物反应器有效增强功能，可有效实现市政污水回收和工业污水处理，解决城市缺水问题，凭借其出水水质好、运营成本低、自动化程度高等诸多优势正成为水处理领域最具发展前景的关键技术之一。目前，MBR工艺技术处理生活污水和工业废水已突显成效。平板陶瓷膜材料作为国际近年来发展的一种重要的MBR膜生物反应器材料，与有机膜相比具有透水阻力小，抗污染性好、易于清洗再生、使用寿命长、化学稳定性好、机械强度好等优点，可有效解决现有中空纤维膜、有机平板膜在工程应用过程中存在的使用寿命短，易受酸碱腐蚀等问题。作为有竞争力的MBR核心部件之一，平板陶瓷膜是MBR技术水处理领域最具核心竞争力的膜分离材料之一。

据统计，1995年MBR的全球市值仅为1000万美元，到2013年底MBR年产值已达150亿美元。2013年我国废水排放总量达到730亿吨，并且以每年5%左右的比例递增，预计2015年将达到810亿吨。截止2013年底，我国已有50多个规模超万吨的MBR工程投入运行，累计规模230万吨/日。预计到2015年，中国投入运行或在建的MBR系统累计处理能力将超过500万吨/日，与2013年相比增长1倍。近年来，随着水资源匮乏和水污染日益严重，国家加强了对水污染治理力度，通过水质提标、排放标准提高及水价提高以及“水十条”实施等多项措施，共同推进水处理技术和水处理设备的提升。尤其是随着水处理用膜技术不断成熟，膜法水处理技术已成为解决资源型缺水和水质型缺水问题的重要技术，高性能膜材料发展“十二五”专项规划已明确提出发展高性能水处理用陶瓷膜材料，膜过滤技术及MBR膜生物器水处理技术也会有较快速度发展。我国在“十三五”期间，仅废水治理的投入将达1.39万亿，尽管平板陶瓷膜材料目前在国内尚处在应用起步阶段，但在未来5年内，平板陶瓷膜MBR凭借其优异的特性，在市政污水、工业（化工、造纸、食品）废水、垃圾渗透液等多个领域具有广阔的应用前景。以日处理量10万吨MBR膜生物反应器技术处理废水规模来算，需要平板陶瓷膜组件约10~15万平方米，平板陶瓷膜材料未来几年内将处于市场高速增长期，预计到2020年，年需求量将会超过200万平方米。

相比于国外发达国家，国内在节能减排领域应用的陶瓷膜材料研究开发方面开展工作相对较晚，近年来尽管技术水平有长足进步，但总体来说产品产业化规模与市场开发应用等方面与国外有较大差距。目前，国内从事该领域陶瓷膜材料单位不足百家，除南京工业大学膜科学技术研究所开发的用于水处理等领域的氧化铝质多通道陶瓷膜材料、山东工业陶瓷研究设计院开发的用于高温气体净化的高温陶瓷膜材料系列产品外，其他产品技术水平与国外同类产品相比差距明显。山东工业陶瓷研究设计院作为国内唯一的国家级工业陶瓷研究单位，是国内最早从事微孔陶瓷及陶瓷膜材料的研究开发单位，从上世纪70年代就开始开展各类微孔陶瓷及陶瓷膜材料的研制及市场开发工作，其中《热浇注工艺制备多孔陶瓷制品》1977年就获得全国科学大会奖，80年代完成了微孔陶瓷材料系列性能检测国家标准的制定工作，“七五”、“八五”期间先后完成了用于汽车尾气净化用泡沫陶瓷和蜂窝陶瓷的研制开发工作。长期以来，山东工业陶瓷研究设计院以科技创新、服务社会为理念，一直致力于陶瓷膜材料的产品研发与技术创新工作，经过两代人不懈努力，目前已成为国内陶瓷膜材料领域重要的产品研发基地和技术引领者。40多年来，在陶瓷膜材料领域，山东工陶院先后承担了包括“七五”、“八五”国家科技攻关、国家“863”、科技部中小企业创新基金、科研院所公益基金及山东省重大科技攻关项目20余项，获发明专利20余项，多项产品被评为国家重点新产品。特别是近10年来，满足于国家节能减排和环保战略需要，山东工陶院也先后制定了“十二五”、“十三五”陶瓷膜材料的发展计划和产业发展规划，不断加强陶瓷膜材料领域科技创新力度，提升技术水平。

自2010年以来，在国家各类科研项目支持下，加之自身雄厚的技术力量，山东工陶院先后完成了碳化硅、堇青石质、莫来石质高温气体净化用系类陶瓷膜材料及装备的研究开发工作，完成了国内首台套煤化工领域应用的大型高温、高压陶瓷膜飞灰过滤器研制开发工作，产品已在冶炼、煤化工、有机硅、多晶硅、石化等行业的高温高压气体净化、高温烟尘净化领域大量推广应用，建立了10万平方米的高温陶瓷材料生产线。其中高温高压气体净化用陶瓷膜过滤器被评为“201”国家重点新产品，该院也成为建材行业高温陶瓷膜材料重点实验室的依托单位。2014年，该院组织技术攻关，仅用1年多时间，即完成了MBR水处理用氧化铝质平板陶瓷膜材料及产品研究开发工作，产品填补国内空白。这些产品及技术开发对推动国内节能减排领域应用的陶瓷膜材料发展、提升我国节能减排领域高温气体净化技术与水处理技术水平起了较大促进作用。

尽管如此，受制于当前国内陶瓷膜材料产业发展水平、陶瓷膜材料技术成熟度、装备及工程的技术水平、成本及运行费用、宣传力度、典型业绩示范等方面影响，目前陶瓷膜材料及过滤技术在国内节能减排领域技术优势并没有完全显现出来，产业规模及市场占有率相对较低，经济效益和社会效益还不突出。基于本身具有的许多优良特性，高性能陶瓷膜材料作为膜材料一个重要分支，在21世纪的多数工业领域中将会扮演更重要的角色，在能源、资源、环境、传统行业改造等领域发挥重大作用。随着国内外对节能减排工作越来越重视，尤其是在我国政府已将节能减排政策上升为国策、国家“十三五”计划的实施以及国内外经济环境形势的要求下，高性能陶瓷膜材料将迎来一个良好发展机遇，陶瓷膜材料在高温气体净化及水处理等节能减排领域将面临巨大的市场商机。

作者/薛友祥

《中国建材》杂志创刊于1980年，是中国建筑材料联合会主管主办的、建材行业唯一国内外公开发行的综合性月刊，中文核心期刊、中国期刊方阵双效期刊，大16开本，彩色精印，每月初出版。

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