改性聚间苯二甲酰间苯二胺超滤膜及其制备方法和应用
一、成果简介
聚间苯二甲酰间苯二甲酰胺（PMIA））纤维是一种新型的有机耐高温纤维，具有出色的综合特性，包括良好的热稳定性，化学稳定性，亲水性和阻燃性。膜材料的耐压性和耐热性是膜分离工艺长期运行所必需的，这些优异的性能使PMIA成为膜制备领域的关键性材料之一。此外，由于该材料易溶于普通有机溶剂中，因此，可以采用非溶剂诱导相转化（NIPS） 法制备PMIA 超滤膜，这为工业化生产提供了可能。
目前我国的膜材料主要还是依赖于进口，并且亲水性差、机械强度低、耐溶剂性能差等诸多问题，而间位芳纶膜材料已经实现了国产化，并且价格便宜，打破了国外垄断的局面。基于间位芳纶材料，本项目通过调控制膜配方以及制膜工艺，所制备的间位芳纶膜具有高的渗透通量、高的机械强度以及良好的耐酸碱性能。依托于本项目组实验室的中试平板刮膜装置，本项目实现了间位芳纶膜的中试化制备，并且进行膜组件、膜设备的进一步放大设计。所开发的PMIA膜可以达到甚至高于市场同种类产品，其产业化可大大丰富目前水处理市场。
图1.中试平板膜刮制系统
二、应用领域
（1）水的高品质回收利用
随着经济高质量发展，现代工业建设如火如荼，农村改造正在进行时，人民对政府的市政工程要求也越来越高，各行各业的发展以及人们日常生产生活都离不开用水，污水处理的需求量日渐增长。该项目所研究的芳纶平板膜用于污水的高品质回用处理能够达到绿色高效的效果，不仅能解决由生产造成的环保问题, 而且能够获得污水中的有效成分, 提高资源的利用率。
（2）饮用水净化
中国作为人口大国，饮用水的需求量巨大。对于处理地表水、地下水、海水淡化，从而得到可饮用的纯净水。与传统的净水处理技术相比，膜技术在对水质进行更深入的处理时，效率更高、实用性更强，效果更好。选用平板膜进行水净化技术能够大大节约能耗，达到饮用水的标准。
（3）有机物分离
该项目所制的平板膜也可用于食品、染料、医药等行业的生产工艺，在有机物分离方面高效且方便。近几年的应用实践证明, 我国膜分离技术已步入大规模工业应用阶段, 市场潜力很大, 应用前景广阔。
三、市场前景
（1）市场状况
近年来，随着我国对节能环保、资源回收相关产业的日益重视，各级政府部门相继出台了一系列旨在推动膜技术应用产业发展的政策；化工与石化、生物制药等行业也将膜分离技术作为清洁生产技术加以推广。2021年6月，发改委出台了《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》，提出了关于城市污水处理能力、再生水利用率、工业用水重复利用等污水资源化利用的要求；2021年7月，发改委又出台了《“十四五”循环经济发展规划》，提出了到 2025年单位GDP 用水量较2020 年降低16%，强化清洁生产和推进园区循环化发展等目标。我们认为上述政策会刺激对膜分离工艺的需求，政策的大力支持为膜分离技术的应用 带来了广阔空间。
2018年中国膜产业的市场规模达到了1900亿元，预计到2024年中国膜产业市场规模将达到3630亿元（图2）。并且以每年10%~15%的速度增长，规模庞大的膜市场需求使得我们所制备的膜材料有着良好的发展前景。
近年来我国对位芳纶发展迅速，多家企业的产业化技术取得突破，实现了批量生产。2019 年，国内芳纶总产量为13800吨，其中对位芳纶产量实现小幅增长，约为 2800吨；间位芳纶产量约为11000吨，总体达到国际先进水平。目前国产芳纶产品主要用于高温过滤、防护、密封等材料中。
芳纶纤维最初由美国杜邦公司在20世纪60年代成功开发并率先产业化，经过60年的发展，杜邦芳纶无论是研发水平还是规模化生产都日趋成熟，占据技术和市场上的垄断地位。目前，全球对位芳纶产量达8万吨、间位芳纶产量达4万吨。其中，杜邦对位芳纶和间位芳纶的市场份额分别占到51.6%和67.4%，日本帝人公司在对位芳纶的市场份额达到38.3%，国内企业泰和新材间位芳纶市场份额占世界第二。
我国芳纶产业起步相对较晚，但最近几年也取得了长足发展，间位芳纶材料有着很多的优势，并且目前已经实现了国产化，价格低廉，打破了国外垄断的局面，这为我们以间位芳纶为材料制备高性能间位芳纶膜奠定了良好的基础。
（2）效益分析
在当前市场，膜技术在污水处理行业推广应用面临的最重要的制约因素是较高的成本。随着膜技术研发和应用的不断推进，加上国产替代趋势愈发明显，膜材料及膜技术应用成本都趋于下降。而膜材料价格不断下探，不仅拓宽了膜法水处理应用范围，膜产品在污水处理领域大规模应用将成为现实。
间位芳纶材料价格约为100元/公斤，而进口的间位芳纶价格偏高，如杜邦的约为360元/公斤、帝人的约为340元/公斤，国产间位芳纶的价格仅为进口的1/3，大大降低了制膜原料的成本。根据表1，我们对制膜原料成本进行了预估，每平方米PMIA超/微滤膜大概需要66元。经过对五家知名膜分离公司调研发现近五年来膜产品的净利润不低于10%，有很大的市场和发展空间。
图2.间位芳纶工业废水分离膜
四、知识产权
1、知识产权为北京理工大学单独持有；
2、本项目已申请专利，已授权发明专利1项。
五、合作方式
技术许可、技术转让、技术入股或其它方式。
六、对接方式
（1）合作意向方联系北理工技术转移中心；
（2）北理工技术转移中心沟通了解意向方情况；
（3）会同成果完成团队与意向方共同研讨合作方案。
北京理工大学技术转移中心
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