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【干货】一文看懂陶瓷膜市场、应用与突破点

作者:传奇扑克官方网站    更新时间:2020-11-12 10:12

  先是巴安水务收购德国平板陶瓷膜公司ItN、再是国内陶瓷膜领军企业久吾高科成功上市。

  陶瓷膜因性能优异而受到了越来越多的关注。而在如今油气行业复苏、海淡领域寻求突破、成本节省渐成趋势的大背景下,陶瓷膜又将如何进军市场呢?

  本次关于陶瓷膜的介绍,将为大家着重介绍陶瓷膜的市场概况、陶瓷膜在市政、工业、海淡领域的应用现状、以及陶瓷膜未来发展的创新与突破点。

  ‍与传统的有机膜相比,陶瓷膜具有耐高温、耐酸碱和高机械强度等多种优秀的材料性能,已成为膜领域发展迅速且极具应用前景的膜材料之一。

  然而,除了在日本自来水处理领域被大量使用,高成本一直是陶瓷膜在商业化上的一大阻碍。

  近几年来,随着制造业规模经济的发展,陶瓷膜的生命周期成本也逐渐达到了增长的零界点,在保有高性能的前提下进一步降低成本将成为这一领域的未来发展趋势。

  在海水淡化领域,陶瓷膜作为预处理单元,能去除胶体悬浮物和大分子有机物等,从而保证出水水质的稳定,并使其更好地用于反渗透;

  在油气领域,陶瓷膜对油脂废水也能有较好的去除效果。而随着油价的回升,许多企业也逐渐对这一市场的新机遇更有信心;

  而陶瓷膜在市政领域的应用,则需尽早地证明这一方法的有效性,从而促使相关市政部门进一步对其开放市场。

  陶瓷膜在海水淡化领域的应用已经经过多年的工厂测试,有了较为成熟的发展。巴安水务自2016年12月底收购德国纳米陶瓷膜技术公司ItN Nanovation 68%的股权后,计划将ItN的平板陶瓷膜超滤系统用于新建的海水淡化项目中,以实现更大的商业化突破。

  新加坡对陶瓷膜在反渗透预处理单元中的应用进行了长时间的研究,最近终于中标第一个大型商业规模的海水淡化项目。

  上海巴安水务计划将ItN Nanovation的预处理系统(Cer@Sea)应用于营口仙人岛的海水淡化项目中,并在其沧州的海水淡化厂中新增了一套处理量达110,000立方米/天的陶瓷膜过滤系统。

  虽然臭氧发生器对赤潮和藻类有很好的去除效果,但它的价格比传统的化学CIP清洗系统要贵得多,因此经济适用性较差。而在ItN即将部署的两个产品系统中,都将采用溶解气体浮选法(DAF)的装置代替臭氧发生器来对藻类进行去除。

  ‍在过去的十年里,陶瓷膜逐步开始拓展日本的自来水处理市场。日本水处理技术公司Metawater已在国内市场安装了数十种陶瓷过滤系统,但对于日本以外的陶瓷膜供应商而言,在市政领域却鲜有如此大规模的项目应用。

  PWNT一直是日本市场以外大型市政项目的先驱,其在2013年与Metawater建立战略合作伙伴关系发展其陶瓷膜系统。

  在2014年,由PWNT负责的Andijk污水处理厂在荷兰投入运行,处理水量为120,000立方米/天。

  其后,PWNT还签订了在英国和新加坡的项目合约(见下图),其在新加坡的水厂处理量将达180,000立方米/天。

  Andijk水厂现在已经运行了三年,其对陶瓷膜的成功应用可以为其他的市政自来水处理系统提供借鉴。

  “这将成为一种趋势,”PWNT CEO Clement表示,“我们想要让更多的人知道陶瓷膜的优势,当生命周期成本能够控制适当时,陶瓷膜将会迅速打开市场。”

  陶瓷膜在市政领域的另一个应用是中东国家的地下水处理,尤其是在沙特阿拉伯和伊朗。

  作为反渗透系统的预处理单元,可以用来去除高温进水中的铁和镭。虽然这些地下水处理水厂中也设有有机膜的处理单元,但它们并不适合这种类型的进水条件,这使得陶瓷膜在中东地区拥有了占据主导地位的细分市场。

  陶瓷膜在北美的市场进展相对缓慢,之前仅加拿大净水技术公司Purifics开发了碳化硅的小型装置。直至2015年起,陶瓷膜市场逐渐诞生了一些大规模的项目。

  如果这些项目都能正常投入运营且不出现任何重大问题,将可能预示着北美的陶瓷膜市场即将进入飞速发展阶段,这主要是由于三方面的原因:

  首先,终端用户开始更加关注膜的使用寿命。而陶瓷膜具有更好的机械强度,可以克服有机膜易断裂的劣势;

  第二,随着更大规模的标准化模式开始形成。北美三大有机膜供应商Pall,GE Water和Evoqua所占的市场份额逐渐减小。无论是通过Nanostone所运用的商业模式,还是依靠市场对陶瓷膜产品价值的越来越高的认可,陶瓷膜在市政领域都将获得更多的市场机会;

  第三,项目的总体拥有成本(又称Total Costs of Ownership,指运营、检查、维护等过程消耗的成本总和)正受到越来越多的重视。在Basin Creek污水处理厂膜组件系统的项目招标中,不再仅考虑固定成本投入,而更多地注重20年内的价值。

  这意味着,陶瓷膜可凭借其较低的运营成本而展现更大的竞争潜力。此次招标中,Metawater比一家有机膜供应商的报价低了近100万美元,而另一个有机膜供应商更便宜,但由于未能满足20年价值评估体系的要求而被取消资格。

  “可以发现,越来越多的市政项目开始从总体拥有成本的角度进行考虑,这是人们现在更愿意采用的前瞻性思维方式。”HDR项目工程师Nathan Kutil表示。

  HDR为Basin Creek污水处理厂提供工程设计等服务。在20年价值评估体系的基础上,HDR还拥有两个市政项目,一个已经完成,另一个还在进行中。

  Kutil还补充道:“美国有许多市政水和污水处理项目都需要处理大量的反冲洗废水,而陶瓷膜的通量恢复率远远高于有机膜,所以具有更大的优势。”

  ‍许多陶瓷膜的供应商为了增加自己在市政项目招标时的竞争力,会选择接很多工业项目以丰富自身经验。

  陶瓷膜对乳化油具有很好的耐受性,无需像有机膜一样频繁地更换膜片,因此也非常适用于含油废水的处理。

  而近几年来,因油价下跌而使油气行业项目机遇遇冷,这不仅限制了陶瓷膜更大范围的市场化应用,也使得一些供应商陷入经济困境。

  2014年之前,LiqTech在油气行业获得了多个商业项目(除试点项目外),但近两年却由于项目数量的减少而陷入财务难关。

  2016年11月,湖南永清水务集团与LiqTech签署合作协议,并对LiqTech投资400万美元,虽然这笔资金最后并没有通过国家发改委的审批,但LiqTech依然通过私募股权融资获得了157.5万美元的资金支持其继续发展业务。

  而另一方面,鉴于LiqTech前些年在市场上的优异表现,LiqTech也对在未来充满信心。LiqTech销售副总裁Johansen说:“我们相信LiqTech会重新在油气市场占据一席之地,因为陶瓷膜的应用已经获得了客户的认可,客户相信这一技术可以帮助他们实现其排放控制目标并提高运营成本。”

  LiqTech在处理电力行业的高温冷凝水方面拥有丰富的经验,并开始探索陶瓷膜在船舶废气洗涤器中的应用,以满足国际海事组织将于2020年生效的全球船舶0.5%的限硫要求。

  另一方面,Cembrane正与北美的水处理技术与设备提供商Ovivo合作,将陶瓷膜应用于北美地区的半导体行业废水处理和污泥浓缩领域。

  目前,Cembrane已经建有两个处理设施对来自半导体晶圆制造厂的含有氢氟酸或过氧化氢的废水进行处理;

  而在污泥浓缩方面,陶瓷膜则将与带式重力浓缩技术相竞争,“Cembrane的产品可以将污泥浓度从1%提升至4%。”Andreassen表示:“当地没有其他的陶瓷膜供应商,我们已经成功安装了一个陶瓷膜污泥浓缩设施,后续还计划安装更多。”

  ‍陶瓷膜市场的另一个增长点是在膜生物反应器(MBR)中的应用。在这一领域做得比较好的主要有日本明电舍、Cembrane和ItN Nanovation的陶瓷平板膜。

  ‍Andreassen表示,“对于小规模的工业水处理MBR设备,Cembrane的产品具有更大的价格优势,固定成本低于欧洲其他的陶瓷平板膜供应商。”

  由于陶瓷膜比有机膜具有更好的化学稳定性,2016年西门子公司的水处理技术部门在其PACT®MBR系统中应用了日本明电舍的陶瓷平板膜。

  这一系统中含有粉末活性炭,可用于处理工业领域如石油化工行业的难处理废水。日本明电舍和ItN Nanovation的陶瓷平板膜产品具有独特的渗透通道和过滤结构,可以显著提升MBR的通量并降低曝气所需能耗。

  ‍这是有机膜市场较常用的降低成本的方法,但同时会使膜变得脆弱易断而较难处理。

  “我们需要提出一个更加先进的方法来扩展膜组件。”Aquatech International的膜技术专家QUA集团首席运营官Ravi Chidambaran评论道,“如果只是简单地减小管道的尺寸以增加膜组件面积,可能会影响膜性能的稳定性。”

  ‍通过在陶瓷膜表面开发功能层可以增强膜的选择性分离性能,并进一步保护膜的表面。比如通过臭氧-陶瓷膜的组合工艺提高供应商们最为关注的耐污染性能。

  “随着臭氧和高级氧化成本逐渐降低,我认为未来陶瓷膜和臭氧的组合工艺将非常强大,”Andreassen建议道。

  Cembrane认为,随着微污染水源的净化处理成为饮用水安全领域面临的重大挑战,陶瓷膜的功能性组合工艺将迎来新的发展契机。

  Nanostone开发了一种结合臭氧、陶瓷膜和凝聚剂的组合式净水设备,通过凝聚剂使有机微污染物相聚合,再使用陶瓷膜进行过滤。

  与此同时,Nanostone的直接饮用水再利用(DPR)装置已在北美市场试运行3个月。“我们希望通过DPR和间接饮用再生水(IPR)来替代反渗透技术,但这还需要长期的研究。”Smith表示。

  另一方面,PWNT也在荷兰的韦尔弗斯霍夫试运行了一个臭氧和陶瓷膜的组合净水装置,通过臭氧清除废水中的药用化合物。

  ‍除微滤(MF)和超滤(UF)之外,陶瓷膜也被用于纳滤(NF)。其在这一市场的驱动力和低压膜市场一样,纳滤陶瓷膜主要被用于纳滤有机膜无法使用的领域。

  Cerahelix主要开发管式陶瓷载体,通过其产品技术helix-NFMTM工艺,在陶瓷涂层制造过程中掺夹DNA链,然后再去除DNA链生成孔隙。

  Cerahelix CEO Susan MacKay说:“我们已经成功解决了DNA链在涂层材料中的分散问题,使得涂层后的膜具有纳米级的孔隙。”MacKay继续解释说,“研究成果着实令人惊讶,因为利用DNA所得到的膜孔径,比我们最初预计的更加致密。”

  Cerahelix纳滤陶瓷膜产品的截留分子量(molecular weight cut-off,MWCO)平均可达400道尔顿,这一性能远远优于传统纳滤膜1000道尔顿的截留分子量。

  Cerahelix目前还不计划与有机膜竞争市场。MacKay告诉GWI,“我们的产品推广重点将放在我们可以作为唯一解决方案的领域,主要应用于处理食品饮料业、酸性矿水的高负荷排水等。”

  荷兰技术公司Metal Membranes开发了一项利用阀金属基底制备陶瓷膜的专利技术,通量据说是传统陶瓷膜的2~3倍。该公司正处于起步阶段,迄今为止只在实验室的微生物分析中得到应用,预计五年以后进入液体过滤市场。

  根据膜组件的结构类型,陶瓷膜一般可分为卷式膜、管式膜、平板膜和中空纤维膜。此外,陶瓷膜还可以根据所用支撑体或涂层的材料类型进行分类。

  应用于膜材料支撑体和涂层的主要氧化物有:氧化铝、二氧化钛、氧化锆、碳化硅以及二氧化硅等。材料优缺点如下图所示。

  尽管所有的陶瓷膜制造商都在使用这些材料,但不同的供应商有自己独特的生产工艺对所制备陶瓷膜的孔径分布或表面电荷进行控制和协调,使其达到最优性能。

  如,ItN Nanovation在其生产的氧化铝支撑体上使用氧化锆涂层。“这种涂层给我们提供了非常均匀的孔径,更稳定的通量和优异的清洁性能。”巴安水务的相关技术人员告诉GWI。

  如德国的初创技术公司Akvola Technologies开发了一种专门针对工业高含油废水的碳化硅陶瓷膜微滤技术。公司创始人Lucas Leon表示,将这一产品与其他材料制备的膜产品一起使用,对同一含油废水进行处理,碳化硅陶瓷膜去除效果最佳。

  ‍陶瓷膜的主要商业模式为向系统集成商、设备制造商或是膜处理系统的供应商提供膜产品。也有将陶瓷膜作为客户定制系统方案的一部分,直接出售给终端用户。

  世界领先的碳化硅膜技术公司LiqTech International于2014年正式转型为系统供应商,因为他们发现若仅仅是将膜产品直接出售给用户,需要为整个流程和工艺支持提供额外且免费的资源及服务。

  LiqTech销售副总裁Kenneth Johansen表示,“之前,我们只是单纯地以‘驾驶员’的身份,将陶瓷膜这一新技术直接“输送”给终端用户。而现在,作为系统集成商,我们可以更好地为客户提供有经验的系统化解决方案。”

  而对于Nanostone,作为近几年新成立的陶瓷膜系统解决方案供应商,则借鉴了有机膜市场的商业模式,即将不同供应商的膜元件整合在一个标准化膜组件中。

  “我们花了很长时间调试我们的膜清洗技术,以适用于开放性超滤平台的概念。(Nanostone即将推出的新产品)”Nanostone的产品经理Brian Wise表示,“在我们的方案中,膜材料与设备的总成本与资本成本非常接近。”

  虽然Nanostone现在仍是向设备制造商提供产品,还未实现直接将产品出售给终端用户的商业模式,但它对开放性平台的概念非常重视。“我们的战略是建立完善的技术系统,但并不向客户直接提供系统化解决方案,这意味着我们需要在学习上投入更多。”Nanostone产品管理与营销副总裁Stanton Smith补充道。

  GWI将陶瓷膜的优缺点分别列在下图的表格中,可以发现,陶瓷膜具有使用寿命长、水通量及通量恢复率高等诸多优点,而其较高的固定成本依然是阻碍这一材料在市政领域应用的主要原因。

  然而,这一成本的限制,仅限于当项目投标以固定成本为主要考虑因素的情况。如果从生命周期成本的角度来考虑,陶瓷膜就非常具有竞争力。

  这主要是因为,陶瓷膜的高机械强度使它可以承受高温以及强酸的处理条件,这免去了膜组件的高频率更换、同时延长了膜的使用寿命。

  另一方面,尽管单位面积陶瓷膜的价格较高,但它的过水通量比普通的有机膜高出近五倍,具有极高的处理效率。所以,从膜产品整个生命周期来看,陶瓷膜的成本并不构成任何问题。

  “我们试着不从单位面积膜的价格来定位我们的产品,因为这其实并不具有代表性。”Nanostone的Smith表示,“客户真正关心的是每立方米处理水量所需要的费用。”

  许多供应商依然将成本问题视作项目投标中的重大障碍,并通过灵活改变商务模式使自己更具竞争力。

  为了赢得在塞尔维亚的一个项目,LiqTech调整项目模式帮助客户减轻了一部分的经济压力。

  “较高的资本支出的确是个不小的挑战,但是我们通过调整项目模式,帮助客户在生命周期成本的基础上减轻固定成本投入的压力。”Johansen告诉GWI。

  LiqTech计划将这一项目模式应用于更多的市政水厂,他补充道:“我们发现BOO模式已经逐渐成为许多大型项目的合同趋势,这也使陶瓷膜在使用寿命方面的优点更具竞争力。”

  ‍荷兰PWN供水公司的技术部门PWN Technologies(PWNT),设计了一个在同一容器中放置90个陶瓷膜元件的C90系统产品。

  其CEO Jonathan Clement表示,这一产品的设计不仅显著减少了膜组件的占地面积,同时也将陶瓷膜的系统成本降低至行业竞争水平。其他的一些陶瓷膜供应商则认为现有的产品从高通量的角度来看,已经在成本上具备了市场竞争力。

  Cembrane CEO Sebastian Andreassen表示:“在自来水处理领域,我们比有机膜更具成本竞争力。不仅固定成本水平相当,我们的产品还能显著降低运营成本,水通量可以达到670LMH,是普通有机膜产品的10倍左右。”他还补充道:“但陶瓷膜的使用成本在海水淡化和污水处理领域的竞争力仍然较弱,需要进一步削减固定成本的投入。”

  尽管陶瓷膜现在已经表现出一定的成本竞争力,但对于它能否在自来水处理领域被大规模使用,市场态度仍不明朗。

  独立顾问Graeme Pearce评论道,“表面来看,许多大型市政设施项目都很成功。然而,市场已经逐渐趋于‘贫瘠’,新项目的数量正在减少。”

  承办单位:武汉大学动力与机械学院、中国海水淡化与水再利用学会青年专家委员会

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