一文看懂陶瓷膜市场、应用与突破点


2020-09-22

一文看懂陶瓷膜市场、应用与突破点


 

海水淡化领域

 

2017年开年以来,陶瓷膜在海水淡化领域的市场发展可谓喜讯不断。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。Pearce说,“陶瓷膜很适合海水淡化领域,比有机膜更能抵抗赤潮和藻类的影响。”

 

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清洗系统要贵的多,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。“陶瓷膜在海水淡化领域的应用应该更为谨慎,这是一个很好的发展机会。” Pearce建议道。

 

市政领域

 

在过去的十年里,陶瓷膜逐步开始拓展日本以外的自来水处理市场。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。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告诉GWI,“但同时我们也注重水质的保证。” PWNT正致力于为发达国家的水司提供服务,如北欧,新加坡,澳大利亚和美国等,“我们想要让更多的人知道陶瓷膜的优势,” Clement说:“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。Veolia Kruger (与 Metawater 公司一起) 负责运行位于科罗拉多州日处理水量为37,850立方米的Rueter-Hess水厂。而在2017年初,位于蒙大拿州的处理水量为26,500立方米/天的 Basin Creek污水处理项目也应用了Metawater的陶瓷膜系统。

 

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。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告诉GWI。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。”

 

工业领域

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。

 

陶瓷膜在工业领域的应用和增长点主要有以下几方面:

 

一、采油废水

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。

 

那么陶瓷膜在工业领域的市场是否即将复苏呢?对此,许多供应商都持有乐观的态度。Cembrane 认为采油废水的市场已经开始回暖。Cembrane CEO Andreassen告诉GWI,预计Cembrane将在未来两个月内收获两笔大合同。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。”

 

二、石油化工行业难处理废水

石油化工行业的难处理含油废水也是陶瓷膜未来发展的一大增长点。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告诉GWI:“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。”

 

三、MBR中的应用

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。在这一领域做的比较好的主要有日本明电舍、Cembrane和ItN Nanovation的陶瓷平板膜详情参见文末相关文章回顾第一篇

 

Andreassen告诉GWI,“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。

 

创新与突破能为陶瓷膜带来更多的应用领域

 

推动陶瓷膜市场发展的突破点有很多方面,首选项是进一步降低成本,许多新产品在这方面都有很好的进展。

“传统的制造方法虽然让陶瓷膜的构造更加精细,但多层的膜结构不仅导致渗透性能降低,同时也增加了成本。” Pearce说:“如果可以开发出一种和有机微滤膜一样的一步制备方法来生产陶瓷膜,那么它将彻底改变陶瓷膜在成本上的弱势。”

 

突破点-01增加陶瓷膜表面积

 

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。”

 

突破点-02开发膜表面功能层

 

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告诉GWI。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。

 

突破点-03利用DNA生成纳滤陶瓷膜孔隙

 

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。

 

Inopor和Cerahelix在这一市场占据较为主导的地位。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。

以上全文转载自GWI。