陶瓷膜：污水变资源的“膜”法工艺

虽然我国的淡水资源总量为2.8万亿立方米，占全球水资源的6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，名列世界第四位。但是，我国的人均水资源量却只有2 300立方米，仅为世界平均水平的1/4，在世界排第110位，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。随着经济发展和城市化进程的加快，我国城市缺水问题日益凸显。据统计，全国669个城市中，400个城市常年供水不足，其中110个城市严重缺水。解决水资源短缺的问题迫在眉睫，污水回用技术就是有效手段之一。

污水回用是指将废水或污水经二级处理和深度处理后回用于生产系统或生活杂用。污水回用既可以有效地节约和利用有限的和宝贵的淡水资源，又可以减少污水或废水的排放量，减轻水环境的污染，还可以缓解城市排水管道的超负荷现象，具有明显的社会效益、环境效益和经济效益。发展高效价廉的污水回用处理技术是促进污水回用进一步发展的保证，常用的污水回用处理方法有：固液分离（絮凝、沉淀和过滤）；生物处理（好氧生物处理、氧化塘和消毒）；深度处理（活性炭、空气吹脱、离子交换、石灰处理、膜工艺和反渗透）。

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膜工艺作为一项高效的分离技术， 已广泛应用于污水处理和排水回用。在市场需求及产业政策的双重推动下，我国膜法水处理工程正以40%的年增长率高速发展，膜产品产值年增长率也达到20%以上，远远高于国际平均水平，我国膜市场占全球膜市场总需求量的15%～20%。

根据膜组件的材质将工程膜产品可分为有机高分子膜（有机膜）和陶瓷膜（无机膜）。其中有机膜约占膜市场的95%左右。但是有机膜的应用面临材料寿命短、废旧膜易造成二次污染等严重问题。相比之下采用精细氧化铝、碳化硅等材质的陶瓷膜寿命长，可循环利用，可完美解决二次污染问题。此外，陶瓷膜具有过滤通量大、分离能耗低、耐酸碱腐蚀、耐受温度高、分离精度高、机械强度大、易清洗恢复等压倒性的技术优势，因此有望取代有机膜成为主流的分离高新技术产品。但长期以来，陶瓷膜因制备工艺复杂，技术长期被国外垄断， 其价格是有机膜的10倍以上。我国大量陶瓷膜产品长期依赖进口，未形成自主的知识产权，提升我国膜产业的自主创新能力和产业竞争力迫在眉睫。

为了突破相关产品国际垄断的不利形势，天津大学胡文彬教授、钟澄教授带领的科研团队，聚焦材料学科前沿，面向国家生态治理、环保能源等产业战略需求，以技术创新为己任，以促进社会可持续发展为动力，历经10年研发，攻克了陶瓷膜制备和产业化中诸多核心技术问题。钟澄教授长期从事能源领域用关键材料研究，在研发电解质膜材料（包括无机、有机、有机-无机复合体系）时，通过和企业交流，发现所研究的无机陶瓷膜可以很好地应用于水处理领域中的固液分离需求。基于此，钟澄教授带领团队开发了高通量筛选材料技术，并进一步发明了独创的低温成膜配方，设计和研发了先进的辊道窑烧成等技术，将陶瓷膜的成本降至仅有国外同类陶瓷膜产品的20%以下，实现了基于中国自主知识产权的核心膜技术。

目前成型的陶瓷膜（见图1）产品类型主要有：面向有装备能力的设备公司的板式陶瓷膜片，面向环境工程公司的陶瓷膜架，以及面向锂电池生产、实验室、矿山等行业标准化设备的行业应用整机。

目前团队所研发的膜技术已经形成总投资超过1亿元的完全自主研发膜浸涂、成型、烧结生产线（见图2a），年产值可达2亿元。实体企业突破了长期的国际垄断，已经在生活污水、印染废水、电镀废水、陶瓷行业废水、玻璃加工废水、乳化废水等多个细分行业积累了充分的工程施工和运行经验。

该陶瓷膜已经应用于浙江嘉兴的印染行业、广东惠州的石化行业、江西吉安玻璃加工业、江苏苏州的日化废水、广东东莞机械加工业的污水处理（见图2b）。在解决国内部分市场需求的同时，成功拓展了澳大利亚、德国、捷克、俄罗斯等海外市场。在完善陶瓷膜技术的同时，为我国打造以膜技术为核心的面向全球的环境治理与水资源利用产业形态。这也意味着我国成功将高性价比无机膜产业化，具备高性能分离膜的核心竞争优势，将促进我国科研机构迈向建设国际一流“科技创新-产业应用”研发体系的新阶段。

IEEE Spectrum

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