宋顯珠 鄭明月

環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為全社會(huì)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)，環(huán)境監(jiān)測(cè)、垃圾焚燒、污染治理等都離不開一系列的環(huán)保專用材料、設(shè)備和儀器等的支撐。本文通過(guò)對(duì)比研究的方法，分析國(guó)內(nèi)外環(huán)保裝備涉及的關(guān)鍵新材料的優(yōu)劣，歸納出我國(guó)環(huán)保裝備關(guān)鍵新材料的發(fā)展現(xiàn)面臨缺少核心技術(shù)，材料穩(wěn)定性差，企業(yè)自主創(chuàng)新體系亟待建設(shè)和完善，設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)落后等問(wèn)題，并結(jié)合環(huán)保裝備的發(fā)展趨勢(shì)，提出了推動(dòng)我國(guó)環(huán)保裝備關(guān)鍵新材料發(fā)展的相關(guān)建議。

1 環(huán)保裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展背景

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

環(huán)保裝備產(chǎn)業(yè)起源于美國(guó)和歐洲工業(yè)國(guó)，經(jīng)過(guò)50多年的創(chuàng)新發(fā)展，已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國(guó)家的主要支柱產(chǎn)業(yè)之一。預(yù)計(jì)到2020年末，世界環(huán)保裝備產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值超過(guò)10 000億美元，成為重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)之一。北美地區(qū)以美國(guó)為主約占全球環(huán)保裝備市場(chǎng)的40%；歐洲地區(qū)以德國(guó)為代表占30%，以中國(guó)、日本和韓國(guó)為代表的亞洲國(guó)家占25%左右。2019年，我國(guó)環(huán)境污染防治專用設(shè)備產(chǎn)量78.78萬(wàn)臺(tái)套（表1），其中大氣污染防治設(shè)備、水質(zhì)污染防治設(shè)備、固體廢棄物表處理設(shè)備都具備較大產(chǎn)能，如表1所示。但環(huán)保裝備產(chǎn)業(yè)低端化、同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重，先進(jìn)技術(shù)裝備替代推廣困難，造成我國(guó)與國(guó)際綠色發(fā)展強(qiáng)國(guó)仍有較大差距。

1.2 主要國(guó)家和地區(qū)環(huán)保裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃

美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家部署較為超前，我國(guó)奮勇直追，近年來(lái)的政策支持力度增大。從20世紀(jì)70年代以來(lái)，美國(guó)、德國(guó)、日本先后建立了較為完善、健全的環(huán)境管理法律法規(guī)體系（表2）。我國(guó)的環(huán)保裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃具有很強(qiáng)的針對(duì)性，先后印發(fā)《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和《關(guān)于加快推進(jìn)環(huán)保裝備制造業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確加快發(fā)展先進(jìn)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)環(huán)保裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2 環(huán)保裝備涉及的關(guān)鍵新材料

2.1 先進(jìn)有色材料

2.1.1 主要材料

有色金屬材料在環(huán)保設(shè)備的使用比例中僅次于鋼鐵材料，主要用于各種泵體、殼體、活塞閥門等關(guān)鍵部位，基本涵蓋銅合金、鋁合金、鈦合金、鎳合金和鉛合金等全部有色金屬材料。不同的金屬材料具備不同的特性，裝備環(huán)保設(shè)備的不同的關(guān)鍵部位，如表3所示。

2.1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

2018年，我國(guó)有色金屬行業(yè)在質(zhì)量不斷提高的前提下，產(chǎn)量穩(wěn)步上升，鋁、銅、鎳、鉛等10種主要有色金屬產(chǎn)量達(dá)到5687.9萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)6%，產(chǎn)銷率為99.8%。隨著淘汰落后產(chǎn)能政策的深化與轉(zhuǎn)型升級(jí)政策的出臺(tái)，有色金屬行業(yè)逐步走向可持續(xù)發(fā)展之路，如表4所示。通過(guò)技術(shù)積累與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，我國(guó)有色金屬在氧化鋁產(chǎn)業(yè)、鋁電解技術(shù)、有色金屬冶煉產(chǎn)業(yè)、有色金屬二次資源回收及有色金屬加工等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。但是我國(guó)有色金屬行業(yè)高端選礦、冶煉與壓延加工設(shè)備核心技術(shù)缺乏，受制于德國(guó)、日本等國(guó)的先進(jìn)企業(yè)。

2.1.3 發(fā)展趨勢(shì)

一是我國(guó)有色金屬行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題嚴(yán)重。從2012年開始，經(jīng)過(guò)嚴(yán)厲整頓我國(guó)有色行業(yè)應(yīng)淘汰的落后產(chǎn)能已不多，產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題得到明顯好轉(zhuǎn)。二是行業(yè)仍需綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)。在技術(shù)創(chuàng)新上，基本形成產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系，基本滿足高端裝備的需求，但在重金屬污染防控和能耗方面仍需進(jìn)一步降低。三是“兩化融合”發(fā)展不足。選冶、冶煉、加工環(huán)節(jié)的關(guān)鍵工藝數(shù)控化率為80%左右，智能制造工廠戰(zhàn)略仍需加快推進(jìn)。

2.2 高性能膜材料

2.2.1 主要材料

高性能膜材料是指具有穩(wěn)定性高、分離性能高、成本低和壽命長(zhǎng)等特征，可滿足工程化應(yīng)用需求的膜材料，是新型高效分離技術(shù)的核心材料，在解決水資源、能源和環(huán)境問(wèn)題方面發(fā)揮著戰(zhàn)略性作用。根據(jù)膜材料應(yīng)用對(duì)象的不同，主要可分為水處理膜、特種分離膜、氣體分離膜等。水處理膜主要是指用于地表水和污水凈化處理的膜，是全球膜市場(chǎng)份額最大的一類膜材料。特種分離膜主要是指能夠在溶劑、高溫和化學(xué)反應(yīng)等苛刻環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離的薄膜材料，主要包括陶瓷膜、滲透汽化膜和離子交換膜。氣體分離膜主要用于氣體與氣體分離、氣體中雜質(zhì)組分的脫除等，按材料性質(zhì)可分為有機(jī)膜材料和無(wú)機(jī)膜材料，如表5所示。

2.2.2 發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)膜材料產(chǎn)業(yè)年增長(zhǎng)速度為15%左右。其中，水處理膜材料已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化及規(guī)?；瘧?yīng)用，進(jìn)入相對(duì)成熟期，占據(jù)絕大部分的市場(chǎng)份額，市場(chǎng)增長(zhǎng)速度有所放緩；特種分離膜材料正處于產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展階段，膜品種與應(yīng)用規(guī)模不斷增加，銷售額進(jìn)入高速增長(zhǎng)期；氣體分離膜材料得到初步產(chǎn)業(yè)化，隨著環(huán)保要求的提高，氣固分離膜、揮發(fā)性有機(jī)物回收膜等發(fā)展迅速。據(jù)中國(guó)膜工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，到2023年我國(guó)膜產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值接近 4 000億元，膜產(chǎn)品制造業(yè)的年增長(zhǎng)率將超過(guò)20%。盡管我國(guó)高性能膜材料領(lǐng)域已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但仍面臨一定困難及挑戰(zhàn)。一是膜產(chǎn)業(yè)原始創(chuàng)新能力不足；二是膜產(chǎn)品系列化、高端化應(yīng)用程度不夠；三是膜產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度不高、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)生態(tài)差。

2.2.3 發(fā)展趨勢(shì)

一是膜材料基礎(chǔ)理論及前沿技術(shù)創(chuàng)新不斷加強(qiáng)，打破Trade—off現(xiàn)象對(duì)膜材料性能限制、開發(fā)顛覆性膜材料產(chǎn)品成為研究熱點(diǎn)；二是膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，膜與其他技術(shù)的集成應(yīng)用越來(lái)越廣泛，制約膜技術(shù)應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵不斷被攻破，以膜技術(shù)為核心的重大工程不斷出現(xiàn)；三是產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)多方合作、兼并、重組等多元模式發(fā)展態(tài)勢(shì)，膜產(chǎn)業(yè)鏈上下游科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)呈現(xiàn)一體化、國(guó)際化發(fā)展，膜市場(chǎng)逐漸形成良性競(jìng)爭(zhēng)。

2.3 納米材料

2.3.1 主要材料

納米材料在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用領(lǐng)域眾多，主要包括噪聲污染控制、固體廢物處理、自清潔、光催化消毒、檢測(cè)環(huán)境污染、防止電磁輻射、納米過(guò)濾、納米吸附等。隨著納米材料種類的不斷增多，納米材料逐漸成為了環(huán)保裝備制造的明星材料，如表6所示，其中納米二氧化鈦的應(yīng)用最為廣泛。

2.3.2 發(fā)展現(xiàn)狀

納米二氧化鈦顆粒尺寸細(xì)小，比表面積大、吸附能力強(qiáng)、催化活性高，因此納米二氧化鈦及其復(fù)合物成為多相催化及催化劑載體理想材料，有望成功應(yīng)用于防污閃涂料、空氣凈化、抗菌、污水處理等領(lǐng)域。據(jù)報(bào)道，美國(guó)環(huán)保局公布的9大類114種有機(jī)物可以通過(guò)光催化氧化處理。目前，我國(guó)納米二氧化鈦產(chǎn)業(yè)與國(guó)際先進(jìn)水平存在一定差距，如表7所示。

2.3.3 發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)在納米二氧化鈦領(lǐng)域的研究及產(chǎn)業(yè)化起步較晚，隨著科研的不斷深入，我國(guó)技術(shù)人員在其制備和應(yīng)用領(lǐng)域并取得了豐碩的成果。近年來(lái)，在納米功能材料方面的研究采取產(chǎn)—學(xué)—研結(jié)合的思路，促使相關(guān)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品質(zhì)量逐漸提高?？蒲谐晒粩嗤黄疲嚓P(guān)專利迅速積累，創(chuàng)新項(xiàng)目不斷落地。預(yù)計(jì)我國(guó)納米二氧化鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展會(huì)步入快車道，技術(shù)的研發(fā)及市場(chǎng)的拓展應(yīng)用速度還會(huì)不斷加快。

2.4 氣凝膠材料

2.4.1 主要材料

氣凝膠是一種具有納米多孔結(jié)構(gòu)的新型材料，密度低、比表面積大和熱導(dǎo)率低，性能優(yōu)異，在航空航天、新能源汽車及列車、石油化工等領(lǐng)域擁有巨大應(yīng)用價(jià)值。在環(huán)保裝備領(lǐng)域，常用的氣凝膠材料主要包括無(wú)機(jī)氣凝膠（SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2、Fe203）、有機(jī)氣凝膠（樹脂基、多糖基、纖維素、淀粉、果膠、海藻酸鹽、幾丁質(zhì)與殼聚糖、有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合）、碳?xì)饽z和金屬氣凝膠四類。具體應(yīng)用包括墻體的保溫隔板、聲學(xué)隔音裝置、能源存儲(chǔ)、催化、傳感器以及原油、二氧化碳?xì)怏w、化學(xué)有毒蒸汽、炸藥廢水等的吸附材料。

2.4.2 發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)30年代氣凝膠發(fā)明于美國(guó)，后來(lái)應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展，受到研究者的關(guān)注。目前美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)家的研究最為活躍，如表8所示。我國(guó)的起步稍滯后，近兩年氣凝膠行業(yè)的復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)了美國(guó)。

2.4.3 發(fā)展趨勢(shì)

一是二氧化硅氣凝膠的絕熱性能好、原材料豐富、制備過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，因此國(guó)內(nèi)外氣凝膠的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展將圍繞二氧化硅氣凝膠絕熱應(yīng)用展開。二是生產(chǎn)企業(yè)增多，產(chǎn)業(yè)規(guī)模進(jìn)入快速發(fā)展階段。市場(chǎng)化前期氣凝膠價(jià)格較昂貴，市場(chǎng)推廣力度也較小，但隨著節(jié)能減排政策的推行和產(chǎn)業(yè)體量的迅速擴(kuò)大，氣凝膠行業(yè)將駛?cè)氚l(fā)展快速路。三是技術(shù)研發(fā)速度加快，產(chǎn)品成本逐步降低，生產(chǎn)工藝趨于成熟。四是多樣化，輕量化、復(fù)合化和柔性化成為重要方向。

3 發(fā)展建議

3.1 加快突破重點(diǎn)產(chǎn)品和關(guān)鍵技術(shù)

一是加強(qiáng)先進(jìn)有色材料、高性能膜材料、納米材料和氣凝膠材料等關(guān)鍵材料的基礎(chǔ)研究、提升國(guó)產(chǎn)材料的產(chǎn)能和性能。二是按照“技術(shù)全球并購(gòu)，產(chǎn)業(yè)中國(guó)整合”的思路，積極參與全球范圍內(nèi)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和技術(shù)交易，開展國(guó)際間的創(chuàng)新合作，引入國(guó)際高端項(xiàng)目、人才和團(tuán)隊(duì)，打造環(huán)保裝備領(lǐng)域關(guān)鍵材料技術(shù)交流平臺(tái)，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)移和創(chuàng)新資源對(duì)接。三是加大財(cái)稅支持力度，設(shè)立各級(jí)新材料大基金，積極引導(dǎo)各類基金、銀行信貸和債券資金向環(huán)保裝備關(guān)鍵材料領(lǐng)域傾斜。

3.2 強(qiáng)化創(chuàng)新體系建設(shè)和完善

一是加強(qiáng)規(guī)劃指導(dǎo)，明確企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略及未來(lái)方向。對(duì)于環(huán)保裝備關(guān)鍵材料領(lǐng)域的創(chuàng)新體系進(jìn)行整體規(guī)劃的政策引導(dǎo)，鼓勵(lì)創(chuàng)新、扶優(yōu)扶強(qiáng)，形成全行業(yè)創(chuàng)新引領(lǐng)的未來(lái)方向。二是加大扶持力度，培育創(chuàng)新主體。借鑒歐美日韓等國(guó)的企業(yè)研發(fā)主體模式，加大金融、投資、人才等政策對(duì)企業(yè)自主創(chuàng)新的支持力度，加大對(duì)企業(yè)自主創(chuàng)新的獎(jiǎng)勵(lì)力度，建立企業(yè)創(chuàng)新支撐平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)由企業(yè)主導(dǎo)的研發(fā)網(wǎng)絡(luò)。三是增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)界與高校、科研院所之間的良性互動(dòng)，提高科研成果產(chǎn)業(yè)化率。鼓勵(lì)合作研究，促進(jìn)人才流動(dòng)，打通基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到實(shí)驗(yàn)開發(fā)的創(chuàng)新鏈。

3.3 著力推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的制定及推廣

一是標(biāo)準(zhǔn)管理部門，需要統(tǒng)籌規(guī)劃，推廣行業(yè)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定及更新的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)標(biāo)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并形成與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的快速聯(lián)動(dòng)的更新體制，有效提升自主制標(biāo)的能力，使標(biāo)準(zhǔn)體系更符合國(guó)情。二是標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證、檢測(cè)機(jī)構(gòu)以及行業(yè)協(xié)會(huì)，要積極受理標(biāo)準(zhǔn)更新的相關(guān)信息，在標(biāo)準(zhǔn)確立后為企業(yè)提供有針對(duì)性的解讀和培訓(xùn)，加強(qiáng)對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)的理解、宣貫和應(yīng)用。三是企業(yè)要充分認(rèn)識(shí)到標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范在產(chǎn)品制造中的所起的關(guān)鍵性作用，不斷加強(qiáng)跨行業(yè)、跨企業(yè)間的溝通與合作，了解下游行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及需求現(xiàn)狀，推動(dòng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定及更新，提高材料和器件的應(yīng)用性能。

致謝：感謝基金項(xiàng)目國(guó)家新材料產(chǎn)業(yè)資源共享平臺(tái)（TC180A6NJ）的支持。