水处理用二维纳米通道分离膜的研制及其超快水传输机制探究

20240112

科学研究和技术服务业

本成果以廉价黏土为原料，通过重构自组装工艺制备了低成本高精度分离膜。黏土材料膜由剥离分散的蒙脱土纳米片堆叠而成，具有致密的层状结构。纳米片层间形成狭窄的纳米通道，通道内表面具有表面电荷，可以对带电大分子物质或离子等产生电荷排斥，结合纳米通道的物理尺寸限域功能，能有效去除水中的杂质离子，筛分精度可以达到1 nm，TOC(总有机碳)值为0.16 mg/L，与国内外龙头企业高精度分离膜的TOC值保持相近(0.17 mg/L)，但分离膜成本降低约45%，水通量提高一倍。黏土基高精度分离膜涉及两项关键技术，第一：首创黏土材料重构自组装成膜技术、解决分离膜关键材料依赖进口问题，相比于传统分离膜，成本降低45%。第二：双重限域高精度分离技术，通过物理和化学双重限域，使得膜分离精度达到1 nm级别，分离效率高达99%，处于国际领先水平。目前拥有黏土分离膜制备应用相关专利3项，其中授权1项，膜材制备、功能改性等关键技术壁垒基本全部攻关，实现了低成本、高精度分离膜的完全自主知识产权的研发。本成果目前处于实验室研究和小试阶段。

（1）资金需求：拟融资金额为500万元，出让股份10%。其中200万用于租聘、购买设备，调试产品线；150万用于人才支持（薪资支出，项目奖励）；60万用于管理费用（人员差旅，法务咨询）；40万用于产品营销推广（参加展会，举办交流会）；30万用于部分知识产权购买；保留流动资金20万。 （2）场地需求：公司厂房结构分为三部分：办公区（约200平米）、实验室（300平米）、厂房（约1000平米）、库房（约500平米），共计2000平米。 （3）设备需求：按照30条膜性能测试线规模，预计需要购置大功率抽滤机100台、截留率测试仪10台、电导率测试仪10台，光谱测量仪10台；需购置检测系统、除尘系统、制水系统、废水排放处理装置、防护系统等；另需购置办公设备，包括计算机、网络设备、打印复印机等。 （4）人员需求：分离膜领域专家顾问3-5人（非全职），材料和化工背景专业技术人员10-15人，数控专业技术人员8-10人，金融专业财务人员8-10人，管理背景专业人员3-5人。

可国（境）内外转让

全球膜分离技术应用产业拥有万亿级市场规模，当下中国高精度分离膜市场规模超1200亿，每年在以15-20%的增速扩大，预计2025年超2000亿。在分离膜应用产业链中，以上游膜材料制备和膜组件搭建所占价值比最高，约为53%。中游工程设计、制造环节的价值贡献占比约37%；下游运营维护的价值贡献占比最小，约10%。因此，以膜材料、设备及组件为主的上游分离膜市场，具有极大的发展前景。然而，我国分离膜产业起步较国外晚，研发经验不足，在中低端市场占据份额，但是对于高端分离膜市场的占有率不足10%，85%以上的份额被美国、日本等龙头企业所占据，如美国陶氏、海德能，日本东丽等知名龙头企业，成本高、产品依赖进口等痛点制约着我国高端分离膜市场的发展。以张家港第四水厂纳滤膜处理工艺来看，四期工程所用纳滤膜为美国杜邦NF270型号组件，近膜组件成本约5000万，价格非常高。因此，发展国内自主知识产权的低成本高精度分离膜具有重要的经济效益。 本成果研制的高精度黏土基分离膜分离膜具有低成本、制备损耗低、成品率高（95%）等优势。拟将分离膜应用于净水领域，基于制备成本核算预估定价为200元/平方米，基于制备工艺预计年产量约6万平方米，销售额达到1200万元，去原料、能源消耗、场地租赁、人工成本等共计200万元，年利润可达到1000万元。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

二维纳米通道分离膜以其精准的分子级过滤优势在水处理领域展现了重要应用前景，然而其通常存在水通量与小尺寸污染物截留率之间相互制约的问题。本研究以构筑低成本、高性能黏土基二维纳米通道分离膜实现高效水处理为目标，主要开展了黏土基二维纳米通道分离膜的可控制备、物质超快传输机制探究、污染水处理研究以及分离膜的全生命周期评价四部分研究工作。采用膜材料加工、化工应用与经济评估相结合的全面研究方法，实现了高性能膜材制备和高精度污染物筛分应用，并拓展了关键材料的重要经济、资源、环境效益评估。研究结果表明，本项目设计构筑的黏土基二维纳米通道分离膜具有纳米级筛分孔道（1.67 nm）和优异的抗溶胀能力，对污染水中的染料分子和无机盐离子皆表现出优异的筛分能力，最大截留率接近100%（刚果红染料分子），且最大水通量超200 L m-2 h-1 bar-1。此外，采用从头算分子动力学计算纳米通道中水分子及水合离子的传输过程，发展了二维纳米通道超快跳跃传质机制，为高性能分离膜的设计优化提供了理论支撑。最后，采用全生命周期评价技术对黏土基二维纳米通道分离膜基材制备过程中的资源消耗、碳排放和全部成本进行了详细分析，研究表明黏土基材相比于主流二维材料，成本低至1/14，能耗低至1/10，非生物耗竭低至1/15，表现出重要的经济、资源和环境效益。本研究构筑的黏土分离膜具有高性能、低成本、易于放大等优势，在水处理领域具有重要的应用潜力。