膜分离技术市场分析

膜分离技术市场分析一、 陶瓷膜行业壁垒（一）陶瓷膜行业技术壁垒以膜分离技术为基础的膜集成技术整体解决方案涉及材料科学、分离工程、过程工艺、环境科学、自动控制技术等多学科领域，属于技术密集型产品。为满足应用领域多元化、工艺条件多样化、运营服务专业化的要求以及保证整体解决方案稳定运行的需要，陶瓷膜企业需全面掌握陶瓷膜材料制备、膜组件与成套设备开发以及膜分离技术应用工艺设计等各个环节的关键核心技术，并具备较强的系统集成和运营服务能力。由于各方面的关键核心技术及相关系统集成和运营服务能力需要企业经过长期实践与技术研究的积累方可掌握，涉及多项专利及非专利技术，存在较高的技术壁垒。目前，具备陶瓷膜技术自主研发和综合创新能力的国内企业仍较少，仅有极少数企业能够自主掌握包括陶瓷膜材料制备技术、膜组件与成套设备开发技术、膜分离技术应用工艺及相关耦合技术在内的全面技术体系。（二）陶瓷膜行业市场壁垒膜集成技术整体解决方案的应用通常涉及对传统过滤分离工艺的替代，并可能涉及对相关配套生产工艺的升级改造，覆盖了下游客户生产工艺中的重要环节。故下游应用客户在选择实施膜集成技术整体解决方案时通常较为审慎，对整体解决方案的适用性、安全性、可靠性和稳定性等有较高要求。因此，项目运行经验和过往成功案例，成为客户选择解决方案提供商的关键考虑因素，从而对新进入者构成一定的市场壁垒。此外，陶瓷膜技术在我国的发展时间相对较短，下游众多应用领域客户对陶瓷膜技术及陶瓷膜企业的认知度尚有限。行业内领先企业的品牌形象和市场地位会直接影响下游客户对其技术和产品的认识，从而影响下游客户对膜集成技术整体解决方案提供商的选择。（三）陶瓷膜行业人才壁垒陶瓷膜行业是技术密集型行业，涉及材料科学、分离工程及相关下游应用领域的众多前沿技术，高素质的研究、开发、销售人才和管理团队是行业内企业经营成功的关键因素。陶瓷膜材料及膜组件与成套设备的研发、生产，膜集成技术整体解决方案的工艺设计及项目实施等各个环节均有较高的技术含量，且下游应用行业分布广泛，应用环境和工艺条件等存在较大差异。因此，要求技术研发和设计人员、生产和销售人员以及经营管理人员都需具备较高的技术水平和实践经验。由于国内陶瓷膜行业发展时间较短，相关的专业人才尚有限，对陶瓷膜行业的新进入者形成了一定的人才壁垒。二、 膜及陶瓷膜的简介膜材料是一种具有特殊选择性分离功能的无机或有机聚合物材料，能够将流体分隔成不相通的两个部分，使其中的一种或几种物质透过，从而将其它物质分离出来。膜材料主要通过其微孔结构进行物料过滤与物质分离，微孔结构的孔径大小决定了其截流物质的范围，孔径分布与孔隙率则是影响膜材料分离精度与分离效率的关键因素。随着膜材料制备技术的发展，膜材料的孔径已由微米级逐步发展至纳米级，其过滤范围也由颗粒过滤扩展至分子级分离、气体分离等，适用范围不断扩大。现代膜材料制备技术，已能够根据物料体系环境和分离要求，精确控制膜材料的孔径大小、孔径分布与孔隙率，从而实现高效分离和选择性分离功能。与传统过滤分离技术相比，膜可以在分子范围内进行物质分离，可实现高精度的选择性分离，且膜分离过程属于连续物理过程，不需发生相变和添加助剂，因此膜分离技术具有高效、节能、环保和过滤精度高等特性，已成为分离科学中的重要技术之一。科技部高性能膜材料科技发展十二五专项规划中指出高性能膜材料是新型高效分离技术的核心材料，已经成为解决水资源、能源、环境等领域重大问题的共性技术之一，在促进我国国民经济发展、产业技术进步与增强国际竞争力等方面发挥着重要作用。高性能膜材料的应用覆盖面在一定程度上反映一个国家过程工业、能源利用和环境保护的水平。通过膜分离技术替代传统过滤分离技术已成为过程工业、水资源利用等领域发展的重要趋势。根据膜材质的不同，膜可分为无机膜和有机膜，其中有机膜是以有机聚合物加工而成，开发应用较早，容易制备、容易成型；但随着膜分离技术及其应用的发展，对膜的使用条件提出了越来越高的要求，有机膜因其材质强度、性能稳定性、耐久性等方面的局限，难以满足各种苛刻环境或复杂条件下膜分离应用的需要。在此背景下，无机膜尤其是陶瓷膜克服了有机膜在耐高温、耐酸碱、耐有机溶剂、机械强度等方面的不足，尤其适用于过程工业及特种水处理等苛刻环境或复杂条件下的膜分离应用，近年来得到了快速发展。根据膜的孔径可分为大孔（孔径50nm）、中孔（孔径范围2-50nm）、微孔（孔径2nm）。无孔致密膜包括纳滤膜和反渗透膜。从膜形态看，目前超滤、微滤多使用中空纤维膜，反渗透、纳滤多为卷式膜。（一）陶瓷膜及其结构陶瓷膜是以氧化铝（Al2O3）、氧化锆（ZrO2）和氧化钛（TiO2）等粉体原料经特殊工艺制备而成的膜。陶瓷膜管壁密布微孔，在压力作用下，原料液在膜管内的膜外侧流动，小分子物质（或液体）透过膜，大分子物质（或固体颗粒、液体液滴）被膜截留从而达到料液不同成分的分离、浓缩和纯化之目的。从结构上看，陶瓷膜一般由支撑体层、过渡层和膜层组成非对称结构，其中支撑体层是构成陶瓷膜的主体结构，为膜层提供必要的机械强度，孔隙率较高、平均孔径较大，是陶瓷膜机械强度、化学稳定性等性能的主要决定因素；膜层是涂于过渡层表面经烧结而成的一层致密陶瓷薄膜，其厚度通常在几十微米，通过采用不同的陶瓷粉体材料与烧制工艺，可以对膜层的孔径大小、孔径分布等进行调节，从而控制陶瓷膜的过滤范围、分离精度等功能指标；过渡层是膜层与支撑体层之间的一层过渡结构，其作用在于防止膜层内的陶瓷粉体渗入支撑体层，帮助膜层与支撑体层更好的结合。（二）陶瓷膜的主要特点和优势目前，陶瓷膜材料制备综合了先进的新材料制备技术，已能够根据物料体系环境和分离要求，通过陶瓷膜材料制备工艺调节陶瓷膜的孔径大小、孔径分布及孔隙率，分离效率与分离精度较传统过滤分离技术有大幅提升。除材料特性外，陶瓷膜分离以错流过滤方式为基础，与传统终端过滤方式不同，错流过滤方式中的原料液流体以切线流过膜表面的方式高速循环流动，过滤液（或称渗透液）在压力作用下透过膜表面滤出，通过原料液的循环冲刷有效抑制了传统终端过滤方式中过滤介质易被阻塞的问题，保障分离过程的连续运行，提高了分离效率与分离精度，并有效降低了分离过程的能耗。基于陶瓷膜的特点和优势，其在苛刻环境或复杂条件下，对高温、高压、强酸、强碱或腐蚀性体系，表现出了其它分离介质或材料所不具备的适用性；且陶瓷膜可在线清洗消毒的特点，能够降低分离设备的操作维护复杂度，提高分离设备的连续运行周期和使用寿命。陶瓷膜材料现阶段主要用于替代传统过滤分离技术，应用于生物与医药、化工、食品饮料等过程分离以及工业废水、油田回注水、垃圾渗滤液等特种水处理领域中的物料分离、浓缩、提纯、净化除杂等工艺环节。在下游领域中，虽然传统过滤分离工艺经过多年应用，工艺技术已相对较成熟，应用较为广泛；但随着陶瓷膜优异综合性能的体现，以陶瓷膜为核心的膜分离技术正逐步替代各类传统过滤分离技术，应用范围不断得到拓展。（三）陶瓷膜分类1、陶瓷膜按照膜的孔径分类陶瓷膜的孔径一般为微米级以下，依据孔径的不同（或截留分子量的大小），可将陶瓷膜分为微滤膜、超滤膜和纳滤膜。目前，已形成产业化规模应用的陶瓷膜主要为陶瓷微滤膜和陶瓷超滤膜，过滤孔径范围更小、分离精度更高的陶瓷纳滤膜在我国尚处于规模化制备技术研究阶段。2、陶瓷膜按照膜的材质分类材质决定了陶瓷膜的物理和化学性能，进而决定了陶瓷膜的亲水性、抗污染性、耐高温性、耐酸碱性、热稳定性等主要性能指标。根据制备陶瓷膜的材料不同，主要可分为氧化铝（Al2O3）、氧化锆（ZrO2）、氧化钛（TiO2）及氧化硅（SiO2）等陶瓷膜。3、陶瓷膜按照膜的构型分类陶瓷膜的构型与其制作工艺有关，通常分为片式膜、板式膜以及管式膜。其中，多通道管式膜因其单位体积内的膜层面积大、机械强度高以及安装方便等优点，适合于大规模应用，而成为工业应用的主要品种。单支（根）膜管称为膜元件。商品化的陶瓷膜元件根据其管长、管径、通道数以及通道直径等参数的不同，还可进一步区分为各种构型。三、 主要国家和地区发展状况（一）美国美国在膜材料研究方面起步较早，在高性能分离膜领域发展较为成熟，尤其是在反渗透膜领域逐渐形成垄断局势，在气体分离膜和液膜方面也处于全球领先地位。美国在高性能分离膜领域的代表型企业有覆盖面较大的陶氏公司、科氏滤膜系统等，而专注于气体分离膜的公司有AirProductsandChemicals公司、MembraneTechnology&Research公司等。美国在能源隔膜材料领域发展也较为成熟。其中，美国埃克森美孚在隔膜材料所需的聚烯烃（聚丙烯、聚乙烯等）产品的生产工艺研发及产品销售方面处于领先地位，是全球最大的聚烯烃产品供应商，这为其旗下的东燃化学锂离子电池隔膜材料产品的品质提供了可靠的保证。（二）日本日本的膜材料产品主要用于海水淡化、家庭净化水、海水制盐、医学等用途，是世界各国中膜材料技术的推广应用方面做得最好的国家。日本政府各有关部门十分重视分离膜材料及其应用技术的研究，先后组织了一系列国家攻关项目并给予经常性的经费支持。而日本膜材料生产企业较多，且产业链发展比较完善，生产工艺比较先进。除此之外，日本膜材料产业还具有以下特点：（1）产业领域宽，微滤、超滤、反渗透、气体分离基渗透气化等膜材料种类齐全；（2）产品系列化和专用化强，生产企业可根据用户的需要，开发各种不同类型的膜材料和不同系列的膜材料组件；（3）注重利用公司以往的技术积累，发挥自己的技术优势。在高性能分离膜领域，日本企业生产技术也比较成熟，其中产品覆盖较全面的公司有日东电工株式会社、东丽株式会社等，另外还有偏向气体分离的宇部兴产株式会社、专注于超滤微滤的旭化成株式会社。2017年10月18日，旭化成的水处理用中空纤维过滤膜Microza被科威特市近郊的反渗透膜法海水淡化装置多哈Phase1作为预处理膜采用。（三）欧洲欧洲对膜材料的研究覆盖了膜材料学领域的所有方面，在渗透汽化、超滤、膜催化和膜反应器以及一些膜过程传质机理方面，一直处于世界前列。其中，德国在人工肾方面与日本同处于世界领先地位，而法国在无机膜的研究方面技术较为先进，意大利、比利时和荷兰等国的膜材料技术水平也比较高。在高性能分离膜领域，较为领先的企业有法国苏伊士环境集团、德国迈纳德公司、德国OSMOMembraneSystemsGmbH，以及以水通道蛋白和正渗透为主要特色的丹麦AquaporinA/S、专注于无机膜研发的法国TAMIIndustries、较早进行均相电渗析膜和双极膜研发生产的德国Fumatech公司等。四、 陶瓷膜各细分领域具体应用情况与前景2010-2012年，合计安装了约2万平方米，行业普及率超过60%，预计2016-2018年氨基酸行业新增产能和传统工艺改造可形成约4万平方米的陶瓷膜材料需求。（一）生物制药行业截至2013年底，行业的普及率约为20%；2014年，在生物医药领域新安装与更换的陶瓷膜约为26万平方米，约占全年陶瓷膜安装总量的491%。（二）天然产物提取行业该行业对陶瓷膜的总需求容量预计将超过7万平方米。2014年化工与石化领域安装陶瓷膜面积与2013年114万平方米基本持平，约占全年陶瓷膜安装总量的215%。（三）食品饮料2014年安装陶瓷膜面积约为075万平方米，同比增幅超过15%，约占全年陶瓷膜安装总量的142%。市场占有率有望逐步提高，成为未来污水处理及回用的主流工艺之一。我国原油产量保持平稳增长态势，2015年产量已达215亿吨，陶瓷膜工艺在该领域将具有广阔市场空间。五、 陶瓷膜行业发展概况膜分离技术作为材料科学和过程工程等诸多学科交叉结合、相互渗透而产生的膜技术，因其高效分离特性，膜产业在全球范围内受到了高度重视。近20年是我国膜产业的高速增长期，至2017年底，全球膜产值已达1050亿美元，我国膜产业的总产值约为2000亿人民币，我国膜产业占全球膜产业产值比重从1999年的17%提升到了2017年的27%以上。膜产业被誉为发展潜力巨大的朝阳产业，在21世纪的环保、能源、化学工程与生物工程等产业中将扮演着战略性角色。我国膜产业的发展仍落后于欧美发达国家，但近年来国家对膜产业的发展日益重视。科技部高性能膜材料科技发展十二五专项规划中提出，十二五期间，我国膜产业保持快速增长，预期到2015年达到千亿元规模；产业附加值有显著提升，陶瓷膜、MBR专用膜材料、高分子超滤微滤膜等重要膜品种的国内市场占有率显著提高；将面向过程工业的特种分离膜材料作为产业化关键技术研究任务之一，针对过程工业中高温、溶剂和反应体系等苛刻环境下的分离问题，重点突破陶瓷纳滤膜材料等的规模化制备关键技术，引领我国膜产业向高端化发展，为我国节能减排具体目标的实现提供技术支撑。在政策的大力支持下，我国膜技术发展活跃，膜产业增长较快。2014年，中国膜工业产值首次突破1，000亿元，同比2013年增长269%，提前一年实现十二五预期目标；2015年，我国膜产值增速为158%。2011年至2015年，中国膜产业的产值以年均20%以上的速度增长，超过了同期中国GDP的增长速度，远高于全球8%9%的平均增速。十三五以来，我国膜产业总产值的年均增速在15%左右;2019年，中国膜产业总产值已达2773亿元，同比增长137%，较十二五期末翻了一番。根据中国膜工业协会预计数据，2022年我国分离膜相关产业总产值将超过3，600亿元。国际上对陶瓷膜的研究始于20世纪40年代，但因其制备技术要求较高，早期主要在核工业领域中应用于铀同位素的分离浓缩，未能得到推广普及。自20世纪80年代起，随着陶瓷膜材料制备技术和应用工艺技术的发展，商品化陶瓷膜及膜设备开发成功，陶瓷膜分离技术开始逐步取代传统过滤分离技术，在过程工业、环境工程、气体分离等领域得到广泛应用。由于陶瓷膜的优异性能及其应用领域的日益扩大，引起各发达国家对陶瓷膜研究和应用技术开发的高度重视，将其作为一门新兴的高技术前沿学科进行研究，因而带动了陶瓷膜研究和产业化的全面发展。我国对陶瓷膜技术的研究、应用起步相对较晚。20世纪90年代，中国科学院、中国科学技术大学以及南京化工大学等高等科研机构积极参与并完成了九五国家重点科技攻关及863计划等科研项目，成功实现了陶瓷膜材料及制备研究方面的技术突破，继而打破了国外企业在陶瓷膜产品领域的垄断地位。进入到21世纪，一方面，陶瓷膜技术在国内过程工业界的认知度和接受度逐渐提高，应用案例不断增加；另一方面，随着国内陶瓷膜企业的技术进步和市场拓展，国内企业与国外先进企业的技术和品牌差距日益拉近，国内陶瓷膜行业得到了快速发展。2014年，我国陶瓷膜设备的年安装面积已达约53万平方米（由于陶瓷膜系统的水通量及处理能力主要取决于所使用陶瓷膜的膜面积，故陶瓷膜行业通常以膜面积作为衡量膜分离设备规格与数量的统计单位。陶瓷膜技术在我国的发展历程相对较短，技术成熟度和认识程度尚有待进一步提升，以陶瓷膜为核心的膜分离技术工艺在国内的应用普及率仍总体较低，未来可拓展空间广阔。在国家产业政策的大力支持下，国内陶瓷膜企业持续加大对陶瓷膜材料制备技术、膜组件与成套设备开发技术的研发投入力度，并逐步加强膜集成技术整体解决方案的设计能力和运营能力，提高膜分离技术工艺的适用性，以进一步满足下游应用领域需求，这将有利于加快以陶瓷膜为核心的膜分离技术工艺及陶瓷膜产品的市场普及速度。预计2020年至2025年，全球陶瓷薄膜市场预计将以6的复合年增长率增长。市场的主要驱动力是食品和饮料行业需求的增长。其中，水和污水处理行业预计将主导全球陶瓷膜市场。由于来自中国，印度和日本等国家的消费增加，预计亚太地区将是预测期内增长最快的市场。六、 陶瓷膜行业技术特点及发展趋势自20世纪90年代我国科研人员在陶瓷膜材料核心技术上取得突破以来，我国陶瓷膜行业经过近二十年的发展，在技术水平和产品质量等方面已经达到或接近了国际领先水平，甚至在个别性能或功能指标上已实现超越，并在生物与医药、化工、食品饮料等过程工业及特种水处理领域探索出了较为成熟的膜分离技术应用工艺。（一）陶瓷膜行业膜材料的创新发展实现陶瓷膜材料的低成本化生产，解决制约陶瓷膜推广应用的成本经济性问题；进一步提高陶瓷膜材料的分离精度及分离稳定性，使其在液体分离领域实现纳滤级别的连续高效运行；实现对陶瓷膜表面性质的调控，通过改变其表面亲疏水性及荷电性、生物兼容性等拓展陶瓷膜的应用领域。（二）陶瓷膜行业多种技术的耦合为满足在不同领域的应用需求，需要在陶瓷膜技术之上进行多种技术的耦合，主要体现为：陶瓷膜与其他膜材料的集成应用；膜分离技术与其他技术的集成应用。