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北京坎普尔公司董事长孟广祯博士 复合热致相分离法TIPS法生产聚偏氟乙烯中空纤维膜PVDF膜  

2014-07-19 03:03:33|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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创新:民族膜产业发展之魂
——访北京坎普尔公司董事长孟广祯博士

言及“创新”,国人心中不免产生好多豪迈之情,60年来共和国的每一个进步都饱含了多少人的敢为天下先的创新志气。但是这种豪迈的背后却是突破重围、举步维艰的历练。今天中国的民族工业依然面对着种种的技术和贸易壁垒,谋生存、求发展,都要从创新中找到出路。复合热致相制膜技术的发明者坎普尔公司的创新之路同样充满了冲破壁垒的艰辛和超越优秀的传奇。当创新的旅途被智慧照亮,企业的未来正如雨后的阳光。
技术创新“冲破壁垒” 长久以来,复合热致相分离法生产聚偏氟乙稀中空纤维膜受制于国外垄断,而在今年4月份,北京坎普尔宣布实现产业化,您能谈谈这项技术实现产业化的历程和感想吗?

  孟广祯:众所周知,水资源的匮乏已经影响到中国可持续发展,尤其对于北京这样一个拥有近2000万人口的中心城市而言,形势更为严峻。在污水处理和再生水等方面,膜技术具有广泛的应用空间。高性能的膜产品制造技术将对中国经济长期的可持续性发展起到深远的作用。为此北京市科委于2006年启动了一个重大科技攻关项目“热致相分离法制备聚偏氟乙烯毛细管膜”,希望产学研合力占据水处理膜制造方法的制高点。我们公司有幸参加了这一重大科技攻关。

  这一科技攻关初期出现的最大困难就是日本政府以涉及国家安全为由限制热致相分离制膜法核心设备的出口。基础研究的核心设备进口受阻使公司研发团队对这一科技攻关项目的前途充满疑虑。经过将近一年的痛苦挣扎和思考,我们研发团队最终统一了思想,明确了我们科技攻关的目标是突破外国的垄断而不是在依赖进口设备的前提下寻找被动的出路。目标明确后,在北京市科委领导的关怀下、在清华大学王晓琳教授和其他膜专家的支持下,在著名膜专家祝振鑫老师和公司黄立洲研发总工程师的领导下,我们义无反顾地开始了从基础理论、实施方法直至设备制造的全面创新,开创了一种全新的热致相分离制膜方法,并将之命名为“复合热致相分离法”。自2008 年初开始,我们发挥公司研发优势,打破条条框框,调动了包括高分子化学、化工、纺丝工艺、自动控制、污水处理、设备制造、设备安装、设备调试、质量检验等多方面的技术力量和工种参与研发,总共用了十五个月完成了从基础理论、小试、中试一直到产业化的历程。风雨过后见彩虹。如今这一研究成果得到了有关专家的普遍赞誉。复合热致相分离法生产的聚偏氟乙烯中空纤维膜也已经在多个工程应用中获得了成功。这一历程可以说是在政府支持下民族工业依靠自身创造力实现技术超越的真实写照。
产品创新“超越优秀”         TIPS法制备的PVDF膜具备哪些特点和优势?坎普尔公司还有那些其它的膜产品,这些产品是否已有成功的应用案例,效果如何?
        孟广祯:聚偏氟乙烯膜已经逐渐成为国际膜市场的主流产品。聚偏氟乙烯材料本身的优势有两个,一个是柔韧性特别好,不易折断;二个是抗氧化性好,可以用强氧化剂清洗。

   目前,聚偏氟乙烯(PVDF)制造中空纤维膜有三种方法,一种方法是溶剂交换相转移法(又称相转移法、浸没沉淀法、NIPS,、DIPS等)。用溶剂交换相转移法制成的聚偏氟乙烯膜的致命缺点是过于柔软,拉断强度(拉断力/截面积)一般在3MPa以下,但是该方法制得膜的过滤精度较高。第二种方法,就是在纤维衬网上通过溶剂交换相转移法涂敷聚偏氟乙烯膜。由于纤维衬网和聚偏氟乙烯膜特性的差异,二者剥离的倾向影响了膜的寿命。另外这种方法生产成本较高。第三种方法是热致相分离法(TIPS)。传统热致相分离法在240 ºC以上的高温使聚偏氟乙烯与稀释剂形成均相溶液,再将这一溶液挤压成型,通过降温使聚偏氟乙烯与稀释剂发生相分离,然后再经过有机溶剂萃取获得多孔膜。这一方法制得膜的强度高于浸没沉淀法(拉断强度约5 MPa),但过滤精度较低(一般只能制成微滤膜)。热致相分离法制备聚偏氟乙烯膜需要特制设备,技术被日本公司所垄断。

   我们所发明的复合热致相分离法,主要是使用良溶剂和非溶剂的复合稀释剂,聚合物在130-180 ºC与复合稀释剂即可形成均相溶液,同时又能在温度降低时发生相分离,获得高孔隙率和高结晶度的膜支撑层;同时,在热致相分离为主导的前提下在膜表面诱导溶剂交换相分离,形成膜表面的致密层;进而得到致密分离层和高孔隙支撑层的复合膜结构。使用这种复合热致相分离法制造聚偏氟乙烯膜最大特点是强度和过滤精度均明显高于普通的热致相分离法。我们投产的超滤膜丝拉断强度高达10MPa。正如您刚刚看到的,复合热致相分离法制造的内径1.5mm的聚偏氟乙烯膜丝可以吊起9磅的保龄球。实现这一高强度的根本原因是膜的支撑结构具有很高的结晶度;而浸没沉淀法制得的膜几乎全部是无定形结构。这一结晶度的差别有点像金刚石与石墨的差别,虽然二者均为碳元素,但是高结晶度的金刚石的强度却远远高于无定形结构的石墨。

   著名的制膜专家中科院化学所的陈观文教授在分析坎普尔公司技术和产品时指出复合热致相分离法对热致相分离法有三个贡献:一是打破了必须使用特制进口设备的技术禁锢,冲破了外国设备垄断,从而使这一方法很容易实现大规模国产化;二是从成膜、拉伸到溶剂萃取连续完成,避免了中间环节,使得膜产品质量更有保证,市场更为广阔;三是通过表面诱导溶剂交换相分离使得膜的过滤精度得到提高,并使以热致相分离法为核心技术制备高强度和高过滤精度的聚偏氟乙烯超滤膜成为可能。

   事实上,坎普尔公司膜产品总共有四类,即以聚砜(PS)为主要材料的内压超滤膜(UF),以聚偏氟乙烯为主要材料的外压超滤膜、以聚偏氟乙烯为主要材料的膜生物反应器(MBR)和电驱动的电除盐(EDI)膜组件。在膜组件形式上我们有内压式、外压式、浸没式和板框式。这些产品包含了众多的创新技术,其中包括超过40项专利技术。这些创新技术体现了坎普尔“超越竞争对手,更要超越自己”的研发理念。

   坎普尔公司膜产品仅在中国的成功案例就超过1000个,其中包括日产5.4万吨的大型超滤系统和日产1.4万吨的大型EDI系统。这些案例均获得了很好的使用效果

        聚偏氟乙烯膜产品是今年投产的新产品,也已经在多个工程中得到应用。在北京某制药厂污水处理案例中,进水COD 为10000mg/L,而且包含抗生素药品产生污水,污水处理难度很大。工程中采用了我们复合热致相法制造的聚偏氟乙烯膜和包含我们多项专利技术的外压式MBR膜组件。在运行过程中,膜法与独特的生化系统协同作用,使得出水水质超过1级A排放标准。在北京的航空博物馆生活污水处理项目中采用生物膜反应器与浸没式MBR膜过滤相结合,出水COD长期保持在15mg/L以下,污水得到100%再利用。许多现场参观了这一工程的人表示若不是亲眼所见,他们不会相信这样的处理效果。
服务创新“好膜用好” 膜产品已从工业水处理领域进入市政水处理领域,如何使“好用”的膜“用好”,是给排水技术人员面临的问题,同时也使膜法与传统水处理工艺存在着挑战,针对如何“用好”膜,您是否能给些建议?贵公司又是如何保障将“好用”的膜“用好”的?
孟广祯:这个问题非常好。如今膜的应用规模越来越大,范围越来越广。相对而言,膜应用技术却相对显得稀缺,这往往成为膜应用的阻力和失败的原因。实践证明真正要把膜用好,需要一个专业技术团队的支持。在膜企业特别是外国膜企业进入中国市场初期,不可能建起具有多方面专长的服务团队,而这种团队的缺乏反之限制了销售规模的增加。这种情况束缚了膜技术市场的发展。坎普尔公司依托十几年来积累的工程经验、工程及设计技术和人力资源,在膜产品销售的初始阶段就已经有了一个强大的随时待命的服务队伍,这个队伍可以提供包括前期方案设计、施工设计、自动控制设计、系统集成、设备安装调试以及售后全过程的服务。换言之,就是我们为用户除了提供一个“好用”的膜硬件,同时我们也提供“用好”膜技术软件,最终实现“只要你用我的膜,我就保证你用好”的目标。
营销创新“物超所值” 您曾说过“环保行业是朝阳产业,而膜法水处理是朝阳中的曙光”。您认为微滤-超滤中空纤维膜的市场真的如此值得期待吗?
孟广祯:膜法水处理的应用领域是非常广泛的。第一,由于排放标准的提高、政府执行这些标准的严肃性的提高和水资源再生市场需求的扩大,MBR膜生物反应器在污水处理领域一定有一个很好的市场。第二,在纯水制造,自来水的制造,饮用水过滤等领域超滤和微滤膜产品也有非常广阔的空间。李圭白院士早在几年以前就已经指出膜技术是第三代净化水工艺的核心。

     虽然膜法水处理市场潜力非常大,但目前这一技术还没有成为水处理领域的主导技术,所以我说它是代表未来的曙光产业。这一曙光要普照大地还要突破三大瓶颈,第一是质量,第二是成本,第三是适用性。这三个瓶颈必须全部突破,膜技术才能有可持续的和更大规模的发展。

       膜产品在质量上最大的问题是膜的断裂问题,特别是当膜为饮水提供安全屏障时,膜的断裂更是致命的问题。另外过滤精度也是重要的质量指标。目前即使高价进口的膜产品,在机械强度和过滤精度这两个最重要的指标上仍然有很大的提升空间。因此,可以说膜的质量是膜市场规模化的第一个瓶颈。我们的复合热致相法带来强度的大幅提高和过滤精度的提高将有助我们首先突破了这个瓶颈。
   目前在污水处理厂、再生水厂和自来水厂虽然都已用到膜,但主要应用的是欧美和日本价格昂贵的膜产品。因此,也只有在特别发达地区,以及有政治意义的一些项目上得到应用。而在市场经济条件下,那些以成本核算作为主要经营决策要素的企业就很少使用。我们已经看到了扩大膜应用范围的一个大的突破口就是降低膜的生产成本。然而降低成本不能通过简单简化工艺和使用低质材料(俗称偷工减料)来实现。突破质量和价格瓶颈的唯一出路就是通过技术创新来实现质优价廉。因此,复合热致相法生产的聚偏氟乙烯膜有美好的前景——更高的质量、更合理的价格和更大的市场。

   以上我们集中讨论了聚偏氟乙烯膜,其实每种膜材料、每种膜制造技术和每种组件形式均有优缺点。因此膜产品在不同的使用条件存在适用性问题。没有最好的膜,只有最适用的膜。一些膜工程的失败实际上源于膜产品种类选择的失败。因此,坎普尔提供多样化的产品链,针对具体情况选择扬长避短的膜产品。如前所述,坎普尔膜材料包括聚偏氟乙烯超滤和微滤膜、聚砜超滤膜和离子交换膜;膜组件形式上包括内压式、爆气外压式、浸没和板框式;膜应用领域包括污水处理、再生水、水净化和超纯水。另外全面的服务也是膜适用性的重要保证,也是我们产品链重要的一环。坎普尔公司力图通过产品多样化和服务完整化突破膜产品适用性的瓶颈,并获得细分市场的竞争优势。
   简单地说我们开拓市场有三把金钥匙,可靠的质量、合理的价格和完整化的服务。
创新集结“多维一体” 您可以谈谈坎普尔公司如何通过创新来提高企业的核心竞争力吗?        孟广祯:企业创新的唯一目标就是提高企业的核心竞争力。在您以上的问题的引导下我们实际上已经讨论了技术、产品、服务和营销各方面创新对坎普尔公司核心竞争力的影响。第一,坎普尔通过技术创新使产品获得更优异的性能、同样通过技术进步和严格质量管理获得的过硬的质量;第二,通过技术进步获得了价格优势,因而带来了更广泛的市场;第三,通过提供多样化的膜产品以取得细分市场的竞争优势;第四,坎普尔依托长期的工程实践经验和人力资源为用户提供全方位的技术服务。总之,坎普尔积聚的是包括了先进的技术、优异的产品性能、稳定的产品质量、合理的价格、全面的服务和丰富的产品种类等等多维一体的核心竞争力。当然,坎普尔人的创新之路远没有尽头,我们会在全面创新的道路上走向更加辉煌的明天。

来源  创新:民族膜产业发展之魂--
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