膜技术潜水:寻找圣杯

膜的发展已经达到了生产力的平台期，但商业产品仍然面临着该领域的质量和性能问题。新进入者对一个成熟和竞争激烈的竞争环境有什么影响?

膜过滤市场的最新发展

膜过滤市场趋于成熟

自20世纪90年代末饮用水机会的爆炸以来，经过20年的强劲持续增长，膜过滤市场正在走向成熟。在这段时间里，膜的价格已经下降到可以与传统技术竞争的程度，而且在水的应用领域，膜已经被广泛接受。

市场的发展具有打破现状的新兴市场的所有经典特征。最初的炒作导致了2000年前后早期市场的迅速崛起。随后是一个明显的幻灭低谷，因为用户很快意识到膜纤维被侵略性的设计通量损坏。随着饮用水的压力衰减测试成为强制性的，这给了我们信心，让我们可以满足长期的处理水质目标。

可以说，生产力的平台期现在已经到了。然而，它花了一段时间才达到我们今天观察到的相对平静的位置，商业产品在该领域仍然面临质量/性能问题。

然而，关于膜市场仍然有一些主要的问题，以及对执行膜过滤职责的产品和/或应用的适用性的一些担忧。

此外，在此过程中对市场增长和方向所做的假设并不总是如预期的那样。本文提出了关于市场的四个关键问题，并试图阐明我们对未来的期望:

• 膜在水处理方面的适用性如何?
• 滤水膜还有替代市场吗?
• 新进入者带来了什么影响?
• 中国的薄膜抱负发生了什么?

膜在水处理方面的适用性如何?

图1显示了市场聚合物选择的发展。市场建立的原始聚合物显示在图表的左侧。它们已逐渐被两种用粗体字体表示的聚合物家族所取代，即PES和PVDF，这两种聚合物目前主导着商业产品。上面的虚线显示了内部供料格式(主要是PES)和外部供料格式(专门是PVDF)的聚合物之间的区别，而下面的虚线显示了提供UF的许多选项之间的区别，以及可用的MF选项。

对于PES和PVDF，原始产品主要是基于非溶剂诱导相变(NIPS)工艺的制造工艺，该工艺产生了不对称结构。为了提高渗透性，制造了带有薄壁和薄表层的纤维。随着时间的推移，制造商显著提高了纤维的强度，大多数增加了壁厚，因此今天的产品明显优于早期进入者。

与此同时，其他制造商也引入了不同的制造技术，从更基本的层面解决问题。就PVDF而言，这是基于热诱导相分离(TIPS)制造技术的使用，该技术倾向于生产更强的纤维，具有较低的渗透性和更对称的横截面。这些纤维具有良好的抗断裂和抗磨损能力。

在PES的情况下，已经产生了多个管腔纤维，其中有7个内部管腔形成了更大的毛细血管。这些纤维消除了过度压力的担忧，在正常操作的情况下有效地不断裂。

替代聚合物偶尔会出现，但由于该行业的成熟，无论其优点如何，都难以打破现状。

就特定应用程序的适用性而言，可以作出以下概括。

膜过滤水处理方法

工业用水

膜被广泛应用于水处理，因为它提供了一种屏障技术。对于工业水处理任务，其好处是明显的，UF和MF已用于工艺任务，将水作为工艺流体过滤，并作为前处理，特别是用于反渗透。

爱游戏首页废水再利用

爱游戏首页废水回用也从中受益。在膜之前，常规预处理对反渗透的化学和能源使用过多，反渗透性能不稳定。相反，UF/MF确保了RO的稳定性。此外，UF/MF屏障对微生物提供了比RO更可靠的屏障。膜步骤的组合现在已成为强制性的，以实现任何可能与人类接触的重复使用所需的整体屏障，例如含水层补给、娱乐甚至某些灌溉应用。

饮用水

喝水处理膜受到欢迎，但完整性问题继续构成挑战。早期的内部进料格式产品使用了侵略性的设计助熔剂，这导致了过度加压和纤维分裂的可能性。此外，纤维可能在灌封界面断裂。外部饲料格式也遭受了完整性损失，但这是由于过度的空气冲刷磨损或膜表面的污染颗粒造成的。问题已经大大减少，因为设计流量已经变得不那么激进，早期阶段的产品已经被新的更具弹性的版本所取代。

原有产品的改进与这些新方法提供的增强相结合，以及更良好的操作条件使市场达到成熟。

然而，陶瓷膜抓住了产品问题带来的机会，开始进军饮用水市场。测试完整性本身会导致停机。对于大多数工厂来说，修复断裂的纤维是一笔适度的额外支出，但对于少数麻烦的工厂来说，成本迅速上升，停机时间变得不可持续。陶瓷减少了测试频率，避免了维修，显著提高的通量实际上支付了更高的投资成本。然而，渗透率的长期趋势是否可持续还有待确定。

海水RO (SWRO)预处理

水处理的最后一个应用是海水淡化的预处理。这一申请是最近的，从2006年起才开始显著。在公平竞争的环境中，UF/MF在确保RO稳定性方面做得更好，并在价格上与传统技术竞争。

在20世纪90年代初，人们首次认识到SWRO在使用连续进气氯化的系统中存在生物污染，这是由于产生了未被预处理去除的有机分解产物。这些分解产物为细菌菌落提供营养，并促进RO中生物膜的发展。RO制造商建议避免连续进气氯化，而是建议冲击氯化，或者更好的是，机械清洗进气。

采用常规预处理的SWRO工厂多年来一直试图避免连续进气加氯。在2007年至2017年的IDA会议上，对16家使用螺旋缠绕反渗透装置的工厂进行了回顾，结果显示，这些工厂都没有使用连续进气氯化。

然而，一些SWRO工厂建在与其他用户共享现有进水口的场地上。在大多数情况下，共享的摄入量是持续氯化的，因为这对其他用户是有益的。因此，这样的进气给反渗透植物带来了问题。

不幸的是，由于人们认为超滤预处理能更好地处理更困难的进水条件，很大一部分采用超滤预处理的工厂都位于共用进水口且需要持续加氯的场所。这为UF创造了比传统的饲料更具挑战性的饲料，因为希望/假设膜预处理的更好的去除性能将允许在工艺流程中的其他地方削减成本。

确保RO膜的稳定性

一项对UF-SWRO工厂的调查发现，在24个采用膜预处理的系统中，近40%的饲料使用了连续进气氯化。RO有两种选择，以确保稳定性。由于额外的资本支出，该工厂在流程中需要一个吸附阶段，这是非常不寻常的，调查中的24家工厂中没有任何一家采用这种方法。吸附阶段可以基于颗粒或粉末活性炭，也可以基于日立金属最近推出的一种名为陶瓷吸附过滤器(CAF)的新方法。

或者，饲料需要在线添加生物杀菌剂，有几种商业选择，如Kurita和Nalco的饮用水批准。虽然运行成本昂贵，但这种方法对于小型和潜在的中型工厂是可行的，因为它可以节省大量的进气成本。此外，也可能不需要投加凝血剂。

因此，UF预处理与常规预处理的比较并不简单。UF可以提供一个非常有效的解决方案，但不应假定UF将解决生物污染问题而不考虑分解有机物的影响。希望随着业界在公平竞争的环境下考虑这两种前处理方案，UF的好处将得到承认。

陶瓷也可以在预处理中发挥作用，因为表面的亲水性与膜的化学弹性相结合，可以考虑替代工艺流程，从而克服反渗透生物污染问题。一种可能是使用臭氧对饲料进行预处理，因为它可以消除有问题的有机分解产物。然而，这种方法可能代价太大。此外，UF还可以使用臭氧反冲洗来提高性能稳定性。

滤水膜还有替代市场吗?

用户和工程公司的终极目标是创建一个类似于RO市场的UF替换市场，并在一个有效提供“开放平台”的系统中销售UF，即一个可能与不同UF制造商的产品兼容的系统。RO巩固了单一格式概念，即螺旋缠绕元件，并在早期阶段开始使用可互换的产品尺寸。

相比之下，UF/MF仍然使用不同的格式，在这些格式中，不同的模块维度。UF/MF通常作为一个独立的模块出售，而不是作为一个元件用于另一个供应商的压力容器，这使得供应商之间的差异几乎不可避免地会持续存在。即使在单一格式已经成为明显领导者的地区或应用程序中，差异仍然存在，因为供应商的兴趣是让他们的模块具有独特的功能，这样他们就可以确保赢得替换业务。

在过去的几年里，这种情况已经开始发生变化，如图2所示，令人惊讶的是，随着市场的成熟，它变得不那么统一了。柱宽显示市场规模稳步增长。

在每一栏中，份额由四家市场领导者分配，与其他由较小的参与者和新进入者组成的市场领导者相比，它们各自拥有> 10%的份额。尽管在成熟的市场中很难获得吸引力，但相对于老牌企业，规模较小和/或较新的参与者已经成功地赢得了市场份额。

图2:膜过滤市场的整合趋势

这一趋势的驱动因素之一是用户和工程公司对模块的潜在可互换性的需求，以确保有竞争力的价格，并保护最终用户不受其选择的供应商倒闭的影响。此外，未来切换到替代供应商的可能性确保了系统跟上产品开发和创新的步伐。

通用机架的开发

为了满足这一需求，一些膜系统专家开始销售包括“通用机架”的系统，即机架可以与来自多个供应商的模块一起使用。实际上，维度差异和移植安排的差异意味着用不同的选项替换原来的供应商是非常不寻常的，但至少威胁是存在的。

膜供应商以开放平台的另一种方法进行反击，即所谓的“集成头”。在这一概念中，模块端盖直接连接，消除了流形，从而有效地消除了机架，如图3所示，对于两种不同格式的这一想法的两个最强支持者。

竞争集成头总成成为潜在的可更换部件，允许一个制造商的单位被另一个。这个概念已经被证明很受欢迎，不仅仅是因为它提供了一个非常划算的系统。从一家制造商更换到另一家制造商的可能性仍处于起步阶段。

现在，市场发生了重大变化，第一家专注于模块更换销售的制造商，即中国制造商森诺。

特别是，美国子公司积极寻求更换机会，利用大量系统，现在需要新的膜，由于年龄，在某些情况下，由于完整性的考虑。cinor以比其他供应商更低的价格提供强大的PVDF TIPS产品，并开发了一系列产品，精确模仿所有广泛使用的主流播放器的尺寸和配置。这是否创造了一种可持续的商业模式，或者只是让最终用户控制更换成本，仍有待观察。

然而，它确实有助于证明通用机架，因为在任何情况下，至少有原始膜供应商和辛诺的选择，而不做任何机架修改。

新进入者带来了什么影响?

在20世纪90年代，UF/MF膜市场围绕着PES和PVDF的选择，其中一种选择提供陶瓷。早期的供应商主要是处于早期阶段的小公司，他们正在努力为一项新兴技术获得认可。渐渐地，这些公司发展壮大，或被更大的公司收购。现在，所有现有的供应商都为大公司所有，新进入者在进入市场时遇到了很大的困难，特别是当他们试图引入一种新材料时。本节将考虑四个例子。

第一个是水行星，波利cera。他们的膜是基于聚苯胺，这在历史上被认为是，但没有商业化。这种薄膜似乎能够在困难的应用中发挥作用，但一直在努力获得牵引，并没有试图加入主流。

第二个例子是Nanostone，这是一家陶瓷供应商，生产氧化铝膜，就像水务领域唯一成熟的陶瓷公司Metawater一样。该公司已经获得了一些推荐，但现在判断它是否会产生重大影响还为时过早。

第三个例子是一家荷兰公司IMT。该公司使用PES的多腔技术与BASF-inge产品有相似之处。作为一家独立的公司，IMT多年来一直在努力获得认可，但自2016年被苏伊士收购以来，它取得了显著的增长，很快就在主流应用中达到了临界质量。

最后，RO的一个例子是Nano-H2O。该公司受到了媒体的热情报道，但在被LG收购之前，销量很少。这个有趣的假设是基于将纳米技术结合到经过试验和测试的格式中以提高性能，但当涉及到对膜进行测试时，市场很谨慎。然而，自从收购以来，LG-Nano已经赢得了主要的参考，现在是SWRO主要项目的新部分的重要世界参与者。

教训似乎是“强权即公理”，尤其是在市场的这个阶段。因此，新进入者可以寻求销售其产品，但其真正的目标应该是寻求销售公司。如果没有重要的支持，新的初创企业往往会衰落，无论它们的技术多么有吸引力。

中国的薄膜抱负发生了什么?

在21世纪初，中国开始在快速扩张的电力部门实施UF作为RO的预处理。事实上，传统的预处理几乎从未被考虑过，UF成为了广泛的工业水处理职责的正常选择。

到2007年，这个市场非常重要，是仅次于美国的UF全国市场。这一阶段的受益者主要是外国供应商，不过利润率逐渐受到中国新供应商威胁的挤压。在这一阶段，政府计划预计到2017年市场将完全扭转，UF供应将在十年内从90%的国外供应转变为95%的国内供应。

陶氏化学于2007年收购了中国最大的UF供应商之一Omex。生产是国际化的，这增加了成本，但使产品在国际市场上具有竞争力。很少有其他中国供应商效仿，尽管有几家国际公司与中国公司建立了合资企业，例如RO制造商东丽(Toray)。此外，其他公司也投资了部分RO制造，最著名的是日东。

相比之下，由于MBR在中国的高速增长，MBR市场上的中国公司相对更有影响力，这一问题将在Tech Dive即将发布的文章中详细讨论。

对于未来，中国正寻求颠覆原来的模式，让中国企业和投资者成为收购方，而不是被收购方。最近的两个例子是SafBon收购陶瓷专业公司ItN Nanovation，以及Newater Technology收购UF/NF专业公司AMS。在这两起案例中，被收购的公司拥有值得关注的技术，但市场份额较小。然而，随着中国投资者变得更加雄心勃勃，这可能是一个迹象。

结论

• UF/MF膜已被广泛接受，适用于水和废水的处理爱游戏首页
• 对于饮用水来说，证明和保持完整性一直是一个引起一些焦虑的重要问题，但这个问题已经在很大程度上得到解决;尽管如此，在某些情况下，残余的担忧还是推动了陶瓷的发展
• 对于海水反渗透预处理，UF/MF在很大程度上是成功的，但并不一定有助于使用连续进气氯化，除非包括具体措施来减少或消除分解有机物的影响，否则会促进生物污染
• 市场正在朝着可互换性发展，模块的尺寸和设计都是相同的，但差异仍然比相似之处多得多;替代模块正在成为一种选择，但销售是例外，而不是规则，市场在商品化方面仍远未达到RO市场
• UF供应商自己喜欢集成头选项，消除标准机架，使互换性无关紧要;这种方法正在获得关注，并且具有显著节省系统成本的优势
• 市场现在已经成熟，并围绕着两种聚合物的选择，即PES和PVDF，以及潜在的陶瓷选择;拥有替代聚合物或技术的新进入者未能获得吸引力，新技术的最大希望是被更大的参与者收购
• 中国目前在MBR领域拥有供应商的主要份额，这主要是由于其国内市场的主导地位;中国企业在国际销售方面基本上尚未取得成功，但中国投资者寻求海外收购似乎已成为一种新趋势。

- Graeme K Pearce博士是膜顾问公司．

参考

[1]膜生物反应器:理论，模型，设计，管理和废水回用应用爱游戏首页(第十四章:商业技术和案例研究，G K皮尔斯)
编辑:Faisal I. Hai, Kazuo Yamamoto和Chung-Hak Lee, IWA出版社，2019年第2版

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