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陶瓷膜的特性與優(yōu)缺點(diǎn)——與有機(jī)膜對(duì)比
有機(jī)膜通常由高分子聚合物（如聚砜、聚丙烯腈、聚醚砜等）制成，具有良好的柔韌性和成膜性，可以制成中空纖維、平板或螺旋卷式等多種形態(tài)。
陶瓷膜，又稱無(wú)機(jī)膜，指由Al2O3、ZrO2、TiO2和碳化硅等粉末原料經(jīng)特殊工藝燒結(jié)而成的膜，類型包括管式膜（多/單通道）、平板膜、中空纖維膜等。其顯著優(yōu)勢(shì)包括機(jī)械強(qiáng)度高、無(wú)斷絲風(fēng)險(xiǎn)、熱/化學(xué)穩(wěn)定性好、易于清洗等。
由于材質(zhì)的不同，無(wú)機(jī)膜和有機(jī)膜在耐高溫性能、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、抗微生物能力以及過(guò)濾精度和選擇性等方面有明顯的差異，也進(jìn)而導(dǎo)致了二者在工藝、價(jià)格、應(yīng)用場(chǎng)景等方面的不同表現(xiàn)。
上海市政工程設(shè)計(jì)總院副總工程師芮旻從工程應(yīng)用角度，分析了陶瓷膜的優(yōu)缺點(diǎn)。他認(rèn)為：“技術(shù)工藝方面，陶瓷膜有別于有機(jī)膜的突出優(yōu)勢(shì)，是可以和粉炭聯(lián)用。其結(jié)合了超濾膜和粉末活性炭的優(yōu)點(diǎn)，這種復(fù)合工藝能夠有效提高水處理的效率和水質(zhì)。此外，耐腐蝕的特性，使得陶瓷膜有著無(wú)可替代的使用場(chǎng)景，包括特殊高酸高鹽環(huán)境等。”
陶瓷膜優(yōu)點(diǎn)（圖源：芮旻報(bào)告）
與上述優(yōu)點(diǎn)相對(duì)，陶瓷膜在使用中也有其不足。芮旻指出：“短期內(nèi)陶瓷膜的裝填密度無(wú)法達(dá)到有機(jī)膜的水平，因而會(huì)帶來(lái)更大的占地面積。此外，其通量大的特點(diǎn)，也帶來(lái)了單位時(shí)間污堵更厲害的問(wèn)題。這也對(duì)預(yù)處理提出了更高要求。”
陶瓷膜與有機(jī)膜成本對(duì)比——全生命周期視角
哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院院長(zhǎng)、教授梁恒介紹：“行業(yè)對(duì)于陶瓷膜的最大印象是貴。但由于陶瓷膜的壽命、通量都有機(jī)膜的數(shù)倍，可以一定程度上彌補(bǔ)高成本的問(wèn)題。”他從全生命周期的視角，分析了商業(yè)化有機(jī)膜及商業(yè)化陶瓷膜的成本費(fèi)用。
有機(jī)膜與陶瓷膜成本對(duì)比（圖源：梁恒報(bào)告）
“陶瓷膜的高通量是高壓力換取的，也就意味著高能耗。但從服役壽命來(lái)看，這部分成本會(huì)被中和一些。投資方面，也有著多輪次和一次性投資的區(qū)別。換句話說(shuō)，這些成本的交叉的，需要找到一個(gè)平衡點(diǎn)。”梁恒表示，“無(wú)機(jī)膜未必比有機(jī)膜貴，這是跟我們的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)是不一樣的。”
對(duì)于具體材料價(jià)格，芮旻的判斷是：“如果價(jià)格能在1500塊錢以下，那在工程上將會(huì)很有競(jìng)爭(zhēng)力。”他將浸沒(méi)式有機(jī)膜與平板陶瓷膜進(jìn)行對(duì)比，陶瓷膜的運(yùn)行通量是浸沒(méi)式有機(jī)膜的4倍，使用壽命是其3倍，在不考慮資金時(shí)間成本的情況下，陶瓷膜價(jià)格控制在有機(jī)膜的12倍以內(nèi)，則可以認(rèn)為具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
陶瓷膜市場(chǎng)占比——遠(yuǎn)低于國(guó)際水平
在水處理膜市場(chǎng)，有機(jī)膜具有絕對(duì)的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，占據(jù)了多數(shù)地盤。而陶瓷膜的研發(fā)、應(yīng)用明顯晚于有機(jī)膜，應(yīng)用場(chǎng)景也較為有限。
政策方面，高性能膜材料是國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)；發(fā)展功能陶瓷等戰(zhàn)略新材料被列入《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》；納米平板陶瓷膜污水處理技術(shù)及一體化裝備被列入《國(guó)家先進(jìn)污染防治技術(shù)目錄（水污染防治領(lǐng)域）》。但市場(chǎng)占有率仍然處于較低水平。
杭州北水科技副總經(jīng)理、北控水務(wù)研究院院長(zhǎng)薛曉飛指出：“我國(guó)陶瓷膜市場(chǎng)占比1%-3%，遠(yuǎn)低于國(guó)際10%-20%的比例。與此相對(duì)，陶瓷膜的復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到16%，高于國(guó)際水平，在供水領(lǐng)域應(yīng)用快速增長(zhǎng)。”
根據(jù)2021年公開數(shù)據(jù)，我國(guó)膜工業(yè)總產(chǎn)值約為3450億元，含膜材料、組件、設(shè)備、工程、貿(mào)易等；其中，水處理膜總產(chǎn)值約2588億元；再其中，水處理陶瓷膜產(chǎn)值約25億元，在水處理膜領(lǐng)域占比不到1%。
進(jìn)一步細(xì)分，在我國(guó)水處理陶瓷膜的25億總產(chǎn)值中，水處理平板陶瓷膜約為12億，含膜組件、設(shè)備、工程等；其中，水處理平板陶瓷膜組件只占到1.7億。這個(gè)比例相當(dāng)?shù)汀?/span>
陶瓷膜市場(chǎng)數(shù)據(jù)（圖源：薛曉飛報(bào)告）
究其原因，薛曉飛認(rèn)為，主要有行業(yè)認(rèn)知偏差、生產(chǎn)與應(yīng)用整合度低、缺少政策機(jī)制引領(lǐng)、缺少新方向指引等影響。“比如，高價(jià)形成行業(yè)認(rèn)知慣性，難有大型水務(wù)項(xiàng)目規(guī)�；�(yīng)。實(shí)際上，近5年內(nèi)陶瓷膜組件價(jià)格已經(jīng)有了40%-50%的下降。而該領(lǐng)域的主要企業(yè)在材料領(lǐng)域，其水務(wù)市場(chǎng)開拓能力有限，缺乏水務(wù)行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)解決思路。沒(méi)有大型項(xiàng)目的刺激與持續(xù)反饋，很多儲(chǔ)備技術(shù)無(wú)法落地，迭代也較為緩慢。這些問(wèn)題的解決有賴于行業(yè)整體的規(guī)劃指引。”
高品質(zhì)供水——陶瓷膜的應(yīng)用新場(chǎng)景
早期，由于成本高昂，陶瓷膜的應(yīng)用范圍非常有限，多數(shù)集中用于高附加值的研究，如核工業(yè)中的鈾分離。隨著材料及工藝的發(fā)展，陶瓷膜開始應(yīng)用于含油廢水、有機(jī)廢水的處理中。在此基礎(chǔ)上，行業(yè)也開始嘗試各種新型陶瓷膜的組合工藝，帶來(lái)了新的想象空間。
“如飲用水安全領(lǐng)域，就是一個(gè)新的應(yīng)用場(chǎng)景。”梁恒表示，“膜技術(shù)為飲用水安全提供了優(yōu)質(zhì)的解決方案，但隨著公眾對(duì)水質(zhì)要求的提升，出現(xiàn)了超濾膜解決不了的場(chǎng)景，如溶解性有機(jī)物、嗅味物質(zhì)等。而能夠與吸附、藥劑氧化、光電催化等工藝耦合使用的陶瓷膜，能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能的組合，解決上述問(wèn)題。”
實(shí)際上，這一構(gòu)想已在國(guó)外多個(gè)案例中得到了應(yīng)用，如新加坡、日本等地。在新加坡 Choa Chu Kang（蔡厝港 ）水廠中，為解決藻類、濁度難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，采用陶瓷膜罐取代砂濾單元，后接臭氧發(fā)生器、生物活性炭工藝，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
新加坡Choa Chu Kang水廠（圖源：薛曉飛報(bào)告）
“由于一次性投資較大，目前用陶瓷膜，主要是利用它的耐氧化特性，在此基礎(chǔ)上附加各種功能。”梁恒總結(jié)。他認(rèn)為，基于材料的綠色安全性，陶瓷膜在凈水領(lǐng)域有著較為光明的應(yīng)用前景。隨著人們對(duì)于水質(zhì)安全的愈發(fā)關(guān)注，影響人類健康的高品質(zhì)供水，有望成為一個(gè)高附加值領(lǐng)域，從而與陶瓷膜工藝更加適配。
