第三节
中国膜应用

一、膜法水处理应用现状

（一）工业用水与污水再生利用

21世纪以来的前二十年，中国工业生产总值增长近8倍，但工业耗水量只增加不到10%。工业生产总值相比耗水量并未同等比例快速增长的原因中，以反渗透膜技术为核心的膜技术大规模应用为重要原因之一。图1-8所示为8英寸反渗透膜使用量和应用规模，目前中国该规格反渗透膜保有量超过500万只，工业用水与污水再生利用规模超过9 500万m ³ /d。

（二）市政污水再生回用

近年来，膜法污水再生技术在市政领域得到越来越多应用，膜生物反应器（MBR）逐渐成为市政污水处理具有竞争力的选择。2003年以来，中国MBR膜的耐污染性、膜使用寿命、膜通量等指标都有大幅度提高。随着城市化发展的不断推进，市区用地趋于紧张、空间利用率要求也不断提高，同时，人们对城市生活环境水平要求也不断提升。MBR工艺由于其出水水质优异，占地面积小，单体构筑物少于传统工艺，使其在一些地区受到青睐。

如图1-9所示，截至2023年底，我国万吨以上MBR工程累计设计处理规模超过2 300万m ³ /d，预计2025年MBR系统累计处理能力超过2 600万m ³ /d。

（三）市政自来水升级改造

在饮用水安全保障领域，超滤膜应用技术日趋成熟，重力驱动浸没式超滤技术具有运行能耗低、投资运行成本低、占地面积小等优点，适用于新建水厂及自来水厂提标改造。

近年来，纳滤膜在市政水处理中应用快速增长。2018年，张家港第四水厂扩建工程采用超滤-纳滤工艺处理微污染水源，为市民供应优质饮用水。该扩建工程的超滤膜系统处理能力20万m ³ /d，纳滤系统净产水量为10万m ³ /d，是当时国内最大的纳滤膜饮用水厂。此项目的成功落地，开启了纳滤膜技术在自来水行业微污染水源处理领域的新应用。2020年，张家港第四水厂深度处理改造工程纳滤系统（四厂二期）项目启动，纳滤产水规模20万吨/日。该项目完成后，张家港市第四水厂一期二期纳滤系统处理总规模达到30万m ³ /d，是国内首座30万m ³ /d级纳滤饮用水深度处理项目，也是目前国际上单厂规模最大的纳滤自来水深度处理项目。目前，嘉兴、郑州、海宁、武汉等多个地区已将纳滤工艺纳入十万吨以上大型自来水水厂升级改造的重要选择之一。

到2024年，中国已建与在建日产万吨规模以上的膜法饮用水厂累计工程数量达到168个，累积规模超过1 400万吨/天。中国膜法自来水厂累计数量变化如图1-10所示，部分投入运营的膜法自来水厂如表1-2所示。

二、膜在实现“双碳”目标中的作用

面临气候变化对人类生存条件造成的严峻挑战，“碳中和”成为众多国家的国家战略。自2020年中国宣布“双碳”目标（碳达峰和碳中和）愿景以来，“碳中和”成为中国社会发展的重点规划目标，各行各业都在有序推进“双碳”目标的实施。以低碳技术重大突破、能源低碳转型、污染治理和生态修复为核心的一系列举措，成为构建以高效和可持续的消费与生产力为主要特征的可持续发展模式的当务之急。

（一）零碳能源重构

作为一种高效节能的共性分离技术，膜技术在实现“双碳”目标中发挥着重要作用。电力能源是我国当前碳排放的主要来源之一，碳排放总量约40亿吨，占比约36%。基于清洁可再生能源构建零碳电力系统是实现碳中和的必经之路，其普及应用的瓶颈之一在于开发转化效率高、能量密度高、使用寿命长的储能技术。全钒液流电池作为尖端的大规模储能技术，具有环保、安全、高效、功率和容量可独立调节、循环使用寿命长、后期维护成本低等特点。质子交换膜是液流电池的核心材料，对电池效率和成本具有决定性影响。

发展绿氢是实现能源系统向清洁化、零碳化转型的关键路径之一。目前绿氢制备的难点在于制氢单位成本高、制备规模小，制造材料及环境要求高。因此，亟须低成本、高效率、规模化的绿氢制备技术。质子交换膜（PEM）电解槽和碱性阴离子交换膜（AEM）电解槽流程简单，可实现低温条件下制氢效率的大幅提升。

我国质子交换膜产业整体正处于加速发展阶段，市场活跃，东岳集团的膜产品已经进入奔驰公司供应链体系，相关企业正在加速布局。截至2021年，我国质子交换膜设计年产能已超过490万平方米，已投产年产能达220万平方米，但国内质子交换膜供给仍然不足，大部分需求方仍使用进口膜。国内生产企业正在加速发展，部分代表性企业已经实现批量供货，并正在扩大产能。

随着氢燃料电池汽车规模化应用，质子交换膜也必将迎来新的高峰，蕴藏着巨大的市场潜力。随着国产化的推进、下游需求的井喷和上游原材料生产企业突破技术瓶颈，加之企业逐步实现规模化，质子交换膜成本将大幅下降，届时将带动氢能源产业及质子交换膜产业快速发展。

（二）低碳流程再造

我国工业碳排放约占排放总量的44%，工业过程的优化提升与构建绿色低碳的工业体系是实现“碳减排”的关键手段。通过在现有工业流程中引入新技术、新工艺，实现低碳工业流程再造，可促进工业过程节能减排，解决现有工业领域高能耗、高污染、高排放的难题。

膜反应器是将分离与反应过程相结合的新技术，通过选择性移除产物，突破热力学平衡限制，提高原料转化率及目的产物的产出率，优化工艺流程，减少污染物排放。南京工业大学开发的连续膜反应器技术在国际上率先实现了陶瓷膜技术在石油化工主流程中的工业化应用，推广应用超过百万吨规模，在中国石化实现了氨肟化制己内酰胺工艺流程再造，“三废”排放是原有工艺的1/200。

（三）负碳体系构建

碳捕集是实现CCUS（碳捕集、利用与封存技术），构建负碳体系的基础，是完成碳中和目标的技术保障之一。与传统CO ₂ 分离技术相比，膜技术可实现不同场合CO ₂ 的高效捕集，在提高捕集效率、降低能耗和成本等方面具有潜在优势。膜反应器可强化CO ₂ 转化为燃料及化学品以进行可再生资源的利用，实现负碳工业过程。

天津大学在国内首次开发出了包括膜材料开发、分离膜规模化制备、膜组件研制和膜分离工艺及装置设计建造的膜法碳捕集完整技术链，实现了高性能CO ₂ 分离膜和膜组件的规模化制备，建成了国内首套日处理5万标准立方米的烟道气膜法碳捕集工业示范装置，年捕集二氧化碳超3 000吨。燃煤电厂烟道气经膜装置处理后产品CO ₂ 纯度可达96.2%，能耗较传统技术降低39%。目前，膜法碳捕集技术虽然尚未实现大规模应用，但其在提高碳捕集效率、降低能耗和成本等方面体现出显著的潜在优势。在未来5～10年，膜分离技术有望发展成为工业成熟的碳捕集技术，预期比胺吸收等碳捕集技术节能30%左右。

三、前景

目前，膜技术已经在工业用水处理、城市污水再生回用、工业废水零排放、市政自来水提质改造等领域发展重要作用，其推广应用是保障我国水资源安全的重要举措之一。同时，膜技术特别适于现代工业对节能降耗、低品位原材料再利用和环境治理与保护等重大需求，对保障用水安全、调整能源结构和能源清洁利用及产业转型升级具有重要意义。

膜分离技术推广应用的覆盖面可以反映一个国家过程工业、能源利用和环境保护的水平。在“双碳”目标下，我国膜技术的发展正面向国家重大需求，聚焦关键核心膜材料和膜过程，开展从高性能膜材料微结构调控、规模化制备、流程设计到工程应用示范的全链条研究，实现低成本绿氢制造、液流长时储能、基于膜材料和膜过程的低碳流程再造、膜法烟道气碳捕集、膜反应器CO ₂ 制甲醇等一批前沿技术的大规模应用，为我国实现碳中和提供坚实的技术支撑。

“十四五”期间，我国膜产业仍保持快速增长。预计到2030年将达到8 000～10 000亿元，其市场前景如表1-3所示。