В постоянно развивающейся области мембранных технологий последние достижения ознаменовали важную веху. На Национальной конференции по присуждению научно-технических премий были отмечены три новаторских проекта в этой области, демонстрирующие растущее влияние Китая в области экологической инженерии и управления ресурсами:
Ключевая технология и применение новой мембранной водоочистки получили престижную первую премию за достижения в области технологий водоочистки.
Второе место заняла работа по созданию и применению мембранных материалов для очистки газов, демонстрирующая инновации в области очистки воздуха.
Проект «Разработка и внедрение системы гарантирования безопасности питьевой воды», представляющий собой многогранный проект с использованием различных мембранных технологий, также получил первую премию.
Впервые мембранная сепарация получила три национальные премии за научно-технический прогресс в одном году — это свидетельствует о растущем техническом уровне Китая. Эти награды отражают возрастающую важность мембранной сепарации для экологической устойчивости, извлечения ресурсов и промышленных процессов.
Что делает мембранное разделение таким эффективным?
По сравнению с традиционными методами разделения, мембранное разделение обладает рядом существенных преимуществ:
Энергоэффективность: Большинство процессов протекают при комнатной температуре, требуя минимального количества энергии, поскольку не требуется фазового перехода (за исключением случаев, таких как дистилляция).
Простота и масштабируемость: позволяет концентрировать, очищать и разделять компоненты за один этап и легко масштабируется как для малых, так и для крупных предприятий.
Экологические преимущества: это экологически безопасное, адаптируемое и недорогое решение для множества отраслей промышленности.
Эти свойства привели к широкому применению мембранной сепарации в различных отраслях промышленности, от разделения веществ до обнаружения, контролируемого высвобождения и управления реакциями. Учитывая ее огромный потенциал, мембранная сепарация давно находится в приоритете у китайского правительства. В рамках «Тринадцатой пятилетки» 23 программных документа подчеркнули ее важность, а новые политические меры в рамках «Четырнадцатой пятилетки» продолжают стимулировать ее развитие.
Мембранная сепарация в водоочистке: трансформация отрасли.
Водоподготовка остается крупнейшей и наиболее развитой областью применения мембранной сепарации, причем основными направлениями являются опреснение и очистка питьевой воды. Это доминирование объясняет, почему мембраны обратного осмоса занимают наибольшую долю рынка в Китае и во всем мире.
Выдающийся проект этого года, получивший награду в категории «Ключевые технологии и применение новых мембранных технологий очистки воды», включает в себя значительные прорывы в области мембран для разделения сверхчистой воды — критически важных в полупроводниковом производстве — и инновации в очистке воды, загрязненной ядерными отходами. Успешная локализация производства этих передовых мембран, ранее доминировавших в этой области иностранными компаниями, знаменует собой важный шаг вперед для технологического сектора Китая.
Например, китайские компании, такие как Wharton Technology Co., Ltd., разработали собственные мембраны для получения сверхчистой воды, серию UE, которые сейчас используются во многих высокотехнологичных проектах в области микроэлектроники. Для дальнейшей поддержки этого роста Китайская ассоциация мембранной промышленности ввела ряд групповых стандартов, в том числе:
Технические требования к компонентам ультрафильтрационных мембран для получения сверхчистой воды в полупроводниковой промышленности (Т/ЗГМ 011-2023),
Стандарты для спиральных мембран обратного осмоса (T/ZGM 012-2023),
Мембранные блоки для электродеионизации (Т/ЗГМ 013-2023).
Эти стандарты помогают отечественным компаниям соответствовать мировым стандартам, стимулировать инновации в продукции и способствовать высококачественному развитию мембранной промышленности Китая.
Очистка сточных вод: превращение загрязнения в ресурсы.
Технология мембранной сепарации также совершает революцию в очистке сточных вод и канализации. В условиях ужесточения экологических норм в Китае промышленность испытывает огромное давление в стремлении эффективно и недорого очищать сточные воды. Традиционная дилемма баланса между затратами на очистку и экологической ответственностью подтолкнула многие предприятия к незаконным сбросам сточных вод для снижения финансовой нагрузки.
Однако при эффективном применении мембранная сепарация может превратить очистку сточных вод не только в экологическую необходимость, но и в прибыльное предприятие. Возьмем, к примеру, проект «Технология подготовки и интеграции мембран для нулевого уровня выбросов при очистке сточных вод целлюлозно-бумажного производства», возглавляемый профессором Син Вэйхуном под руководством Сюй Наньпина, члена Китайской инженерной академии. В рамках этого проекта была создана первая в мире демонстрационная установка с нулевым уровнем выбросов для очистки сточных вод целлюлозно-бумажного производства, способная перерабатывать 40 000 тонн в день. Это позволило оживить проект Nantong Prince Papermaking, находившийся на грани краха, и обеспечить перераспределение средств на сумму 10 миллиардов юаней.
Более недавним примером успеха является парк тонкой химии в индустриальном парке Пинлуо в Нинся. Исторически страдавший от загрязнения, парк сталкивался с серьезными ограничениями из-за неспособности сбалансировать спрос на воду и сброс сточных вод. В ответ на это был запущен первый в Китае проект по очистке сточных вод с нулевым сбросом в парке тонкой химии. В проекте, реализованном компанией Meifeng Environment, использовалась передовая мембранная сепарация для достижения полного повторного использования сточных вод без внешнего сброса. Этот процесс преобразует рассол в промышленные соли, которые повторно используются в производстве, что значительно снижает затраты на утилизацию отходов.
Мембранная система, используемая в этом проекте, обеспечивает степень извлечения 98.6%, сокращая количество загрязненных солевых отходов на 95% по сравнению с традиционными методами. Этот прорыв позволяет парку очищать 10 000 тонн сточных вод ежедневно, удовлетворяя свои производственные потребности, и при этом повторно использовать воду для озеленения и городских нужд.
Очистка и разделение газов: инновации и эффективность.
Помимо водоподготовки, мембранные технологии разделения добиваются значительных успехов в очистке газов, что является важнейшей областью для отраслей промышленности, борющихся с проблемами качества воздуха и выбросов. Традиционные методы, такие как рукавные, циклонные и электростатические системы пылеудаления, долгое время использовались для борьбы с пылью, в то время как методы адсорбции, конденсации, сжигания и химической абсорбции применяются для контроля летучих органических соединений (ЛОС). Однако эти традиционные технологии с трудом справляются с ультрамелкодисперсной пылью и сложными промышленными отходами, особенно когда требуется высокая степень извлечения ресурсов. В отличие от них, мембранные технологии разделения выделяются как энергоэффективная, высокопроизводительная альтернатива, способная соответствовать стандартам выбросов, одновременно обеспечивая извлечение ценных ресурсов.
Ярким примером этого является отмеченный наградами проект «Создание и применение мембранных материалов для очистки газов», возглавляемый командой профессора Цзинь Ваньциня из Государственной ключевой лаборатории материаловедения и химической инженерии Нанкинского технологического университета. Их прорывные инновации в области мембранных материалов установили новый стандарт для удаления ультрамелкой пыли (на субмикронном уровне) и органических соединений из промышленных дымовых газов, а также для извлечения высокоценных порошков и растворителей.
Преодоление барьеров в очистке газов с помощью мембранных технологий.
Команда профессора Джина разработала новый метод проектирования мембран для разделения газов и твердых частиц, установив связь между характеристиками структуры мембраны и параметрами управления. Созданные ими газоочистные мембраны превосходят международные стандарты, обладая более чем на 30% большей воздухопроницаемостью и на 198% большей механической прочностью. Эти мембраны способны удалять 99.99% ультрадисперсной пыли размером 0.3 микрона, что значительно превосходит мировые стандарты.
Ключевой проблемой в промышленной очистке газов является загрязнение масляными аэрозолями, которое может образовывать слои загрязнений на традиционных фильтрующих материалах, ухудшая их характеристики со временем. Для решения этой проблемы команда разработала метод функционализации in situ с использованием нагрева, позволяющий сделать мембраны одновременно гидрофобными и олеофобными. Это нововведение обеспечивает точный контроль над сцеплением и смачиваемостью мембраны, в результате чего получается мембрана с двойными водоотталкивающими свойствами, которая противостоит загрязнениям и обеспечивает увеличенный срок службы.
Практическое применение и экономическое воздействие
Разработанные командой профессора Цзиня мембраны для очистки газов в настоящее время широко используются в различных отраслях промышленности. Более 200 проектов, в том числе крупных компаний, таких как Sinopec, Hengyi Petrochemical и Jiangsu Huachang Chemical, внедрили эту технологию. Эти проекты охватывают 25 провинций и автономных регионов Китая, внося значительный вклад в очистку промышленных отходящих газов. Мембраны особенно эффективны при очистке газов, содержащих хлор, и дыма, насыщенного нефтью, — областей, где традиционные технологии часто оказываются неэффективными.
На сегодняшний день с помощью этой мембранной технологии было переработано более 300 миллиардов кубических метров промышленных газов, извлечены высокоценные порошки и органические растворители на сумму более 1 миллиарда юаней. Экономические и экологические выгоды оказались значительными, демонстрируя, что мембранная технология может не только очищать промышленные выбросы, но и превращать отходы в источник дохода.
Как работают мембраны для разделения газов
Мембраны для разделения газов работают по простому принципу: разница парциальных давлений по обе стороны мембраны приводит к разделению компонентов газа. Различные молекулы газа проникают через мембрану с разной скоростью. Более быстрые молекулы накапливаются на стороне проникновения, в то время как более медленные остаются на стороне подачи, что позволяет разделять смешанные газы.
По сравнению с традиционными методами, такими как криогеника, адсорбция при переменном давлении и химическая адсорбция, мембранные технологии предлагают ряд преимуществ:
Работа при комнатной температуре: нет необходимости в экстремальных температурах, что делает устройство более энергоэффективным.
Простота и модульность: оборудование отличается простотой в использовании и легко масштабируется или адаптируется к различным задачам газоразделения.
Высокая эффективность: устройство способно обрабатывать широкий спектр газов с впечатляющей точностью разделения.
Эта универсальная технология нашла успешное применение в различных отраслях промышленности. Например, она используется для извлечения водорода в аммиачной промышленности, очистки отходящих газов в нефтехимических процессах, а также в системах обогащения кислородом и азотом. Эти практические применения продемонстрировали экономическую целесообразность мембранной сепарации для очистки газов.
Гелий: «золотой газ», питающий высокотехнологичные отрасли и стремящийся к самообеспечению Китая.
Гелий, часто называемый «золотым газом», играет решающую роль в самых разных отраслях промышленности — от военных применений и нефтехимических процессов до медицинских технологий, производства полупроводников и глубоководного дайвинга. Он является важным элементом в экспериментах по сверхпроводимости и криогенному охлаждению, что делает его редким и стратегическим ресурсом, критически важным для глобальных высокотехнологичных отраслей.
Несмотря на огромные масштабы промышленного производства, Китай сталкивается с дефицитом гелия: более 95% его запасов гелия зависят от импорта. По оценкам, страна располагает 1.1 миллиардом кубометров гелия, однако извлекать можно лишь около 50 миллионов кубометров — всего 0.1% мировых запасов. Эта сильная зависимость от импорта стимулировала срочные исследования технологий, позволяющих использовать низкоконцентрированный гелий, содержащийся в природном газе (содержание гелия всего 0.1–0.3%), и значительно снизить затраты. Если эти ресурсы удастся эффективно использовать, Китай сможет удовлетворить более 40% своего внутреннего спроса на гелий.
Проблемы и решения в области извлечения гелия
Традиционные методы извлечения гелия, в частности криогенная дистилляция, позволяют получать высокочистый гелий, но имеют существенные недостатки. Высокие производственные затраты, масштабные инвестиции в оборудование и огромное энергопотребление ограничивают масштабируемость и эффективность криогенных методов. Для преодоления этих проблем исследователи сосредоточились на сочетании мембранной технологии разделения с криогенной дистилляцией и адсорбцией с изменением давления (PSA). Этот гибридный подход значительно снижает энергопотребление и затраты на оборудование, сохраняя при этом возможность извлечения высокочистого гелия. В результате он стал ключевым направлением исследований и уже успешно применяется в нескольких проектах по всему Китаю.
Прорывы в отечественном производстве гелия.
Компания Sinopec совершила крупный прорыв, введя в эксплуатацию первый проект по очистке гелия на юго-западе Китая, расположенный на заводе СПГ в Фулине, эксплуатируемом Чунцинским нефтяным филиалом Sinopec. Примечательно, что мембрана для очистки гелия, использованная в этом проекте, была полностью разработана в Китае, что является значительным достижением в преодолении технологических барьеров, ранее существовавших в США и Японии в области полимерных мембран для разделения гелия. Эта веха является важным шагом на пути к снижению зависимости Китая от иностранных источников гелия.
Еще один прорыв произошел благодаря работе Китайского научно-исследовательского института угля, который в сотрудничестве с угольно-электрической группой Yaojie разработал комплексный процесс извлечения гелия из метана угольных пластов. Этот процесс, сочетающий адсорбцию с изменением давления, мембранное разделение и очистку, позволил добиться ключевых технологических достижений в области извлечения гелия. Команда успешно справилась с проблемами декарбонизации и концентрирования гелия в многокомпонентном метане угольных пластов, достигнув уровня чистоты гелия, превышающего 99.9999%. Введена в эксплуатацию первая в мире установка по извлечению высокочистого гелия из метана угольных пластов мощностью 36 000 кубических метров в сутки, что еще раз доказывает, что Китай полностью освоил весь процесс извлечения гелия из метана угольных пластов.
Инновационные применения мембранных технологий в экстракции гелия.
Китайский научно-исследовательский институт инженерных технологий добился очередного технологического триумфа, применив свою систему разделения и очистки водорода и гелия в проекте по извлечению гелия из газовой фазы природного газа в городе Лулян, провинция Шаньси. Система, объединяющая передовые технологии извлечения гелия из газовой фазы природного газа с использованием адсорбции с изменением давления, мембранной сепарации и адсорбционного дегидрирования, установила новый стандарт в области извлечения гелия. Эта инновационная система не только разделяет и очищает гелий с чистотой более 99.999%, но и производит водород высокой чистоты с аналогичным уровнем чистоты.
Этот новый подход позволяет осуществлять грубое разделение, очистку и обработку гелия при комнатной температуре, обеспечивая как эффективность, так и гибкость. Проект успешно продемонстрировал долговременную стабильность работы при низких температурах, доказав, что эти технологии не только жизнеспособны, но и масштабируемы для промышленного применения.
Будущее добычи гелия в Китае
По мере того как Китай стремится к большей независимости в поставках стратегических материалов, прорывы в технологии мембранного разделения для извлечения гелия будут играть ключевую роль. Интегрируя мембранные системы с другими передовыми методами, такими как криогенная дистилляция и адсорбция с изменением давления, Китай уже начал делать значительные шаги к снижению своей зависимости от импорта. Эти технологии потенциально могут трансформировать цепочку поставок гелия в Китае, позволяя стране использовать собственные запасы природного газа для удовлетворения значительной части своих внутренних потребностей в гелии.
В эпоху, когда гелий становится все более важным для передовых отраслей промышленности — от аэрокосмической отрасли и квантовых вычислений до чистой энергетики — прогресс Китая в добыче гелия представляет собой значительный шаг не только для его собственной промышленной стратегии, но и для глобального высокотехнологичного ландшафта. Поскольку спрос на этот «золотой газ» продолжает расти, сочетание внутренних инноваций, передовых методов добычи и стратегического видения может вывести Китай в число будущих лидеров на мировом рынке гелия.
