我国环保装备关键新材料的发展研究

宋显珠 郑明月

环境保护已经成为全社会普遍关注的焦点，环境监测、垃圾焚烧、污染治理等都离不开一系列的环保专用材料、设备和仪器等的支撑。本文通过对比研究的方法，分析国内外环保装备涉及的关键新材料的优劣，归纳出我国环保装备关键新材料的发展现面临缺少核心技术，材料稳定性差，企业自主创新体系亟待建设和完善，设计规范与标准落后等问题，并结合环保装备的发展趋势，提出了推动我国环保装备关键新材料发展的相关建议。

1 环保装备产业的发展背景

1.1 发展现状

环保装备产业起源于美国和欧洲工业国，经过50多年的创新发展，已经成为发达国家的主要支柱产业之一。预计到2020年末，世界环保装备产业的总产值超过10 000亿美元，成为重点产业之一。北美地区以美国为主约占全球环保装备市场的40%；欧洲地区以德国为代表占30%，以中国、日本和韩国为代表的亚洲国家占25%左右。2019年，我国环境污染防治专用设备产量78.78万台套（表1），其中大气污染防治设备、水质污染防治设备、固体废弃物表处理设备都具备较大产能，如表1所示。但环保装备产业低端化、同质化竞争严重，先进技术装备替代推广困难，造成我国与国际绿色发展强国仍有较大差距。

1.2 主要国家和地区环保装备产业发展推进计划

美国、德国、日本等国家部署较为超前，我国奋勇直追，近年来的政策支持力度增大。从20世纪70年代以来，美国、德国、日本先后建立了较为完善、健全的环境管理法律法规体系（表2）。我国的环保装备产业发展推进计划具有很强的针对性，先后印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》和《关于加快推进环保装备制造业发展的指导意见》，明确加快发展先进环保产业，促进环保装备产业发展。

2 环保装备涉及的关键新材料

2.1 先进有色材料

2.1.1 主要材料

有色金属材料在环保设备的使用比例中仅次于钢铁材料，主要用于各种泵体、壳体、活塞阀门等关键部位，基本涵盖铜合金、铝合金、鈦合金、镍合金和铅合金等全部有色金属材料。不同的金属材料具备不同的特性，装备环保设备的不同的关键部位，如表3所示。

2.1.2 发展现状

2018年，我国有色金属行业在质量不断提高的前提下，产量稳步上升，铝、铜、镍、铅等10种主要有色金属产量达到5687.9万t，同比增长6%，产销率为99.8%。随着淘汰落后产能政策的深化与转型升级政策的出台，有色金属行业逐步走向可持续发展之路，如表4所示。通过技术积累与产业创新，我国有色金属在氧化铝产业、铝电解技术、有色金属冶炼产业、有色金属二次资源回收及有色金属加工等产业领域取得了长足进步。但是我国有色金属行业高端选矿、冶炼与压延加工设备核心技术缺乏，受制于德国、日本等国的先进企业。

2.1.3 发展趋势

一是我国有色金属行业产能过剩问题严重。从2012年开始，经过严厉整顿我国有色行业应淘汰的落后产能已不多，产能过剩问题得到明显好转。二是行业仍需绿色转型升级。在技术创新上，基本形成产业创新体系，基本满足高端装备的需求，但在重金属污染防控和能耗方面仍需进一步降低。三是“两化融合”发展不足。选冶、冶炼、加工环节的关键工艺数控化率为80%左右，智能制造工厂战略仍需加快推进。

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稳定性高、分离性能高、成本低和寿命长等特征，可满足工程化应用需求的膜材料，是新型高效分离技术的核心材料，在解决水资源、能源和环境问题方面发挥着战略性作用。根据膜材料应用对象的不同，主要可分为水处理膜、特种分离膜、气体分离膜等。水处理膜主要是指用于地表水和污水净化处理的膜，是全球膜市场份额最大的一类膜材料。特种分离膜主要是指能够在溶剂、高温和化学反应等苛刻环境下，实现物质分离的薄膜材料，主要包括陶瓷膜、渗透汽化膜和离子交换膜。气体分离膜主要用于气体与气体分离、气体中杂质组分的脱除等，按材料性质可分为有机膜材料和无机膜材料，如表5所示。

2.2.2 发展现状

近年来，国内膜材料产业年增长速度为15%左右。其中，水处理膜材料已实现产业化及规模化应用，进入相对成熟期，占据绝大部分的市场份额，市场增长速度有所放缓；特种分离膜材料正处于产业快速发展阶段，膜品种与应用规模不断增加，销售额进入高速增长期；气体分离膜材料得到初步产业化，随着环保要求的提高，气固分离膜、挥发性有机物回收膜等发展迅速。据中国膜工业协会统计，到2023年我国膜产业总产值接近 4 000亿元，膜产品制造业的年增长率将超过20%。尽管我国高性能膜材料领域已取得了长足进步，但仍面临一定困难及挑战。一是膜产业原始创新能力不足；二是膜产品系列化、高端化应用程度不够；三是膜产业标准化程度不高、市场竞争生态差。

2.2.3 发展趋势

一是膜材料基础理论及前沿技术创新不断加强，打破Trade—off现象对膜材料性能限制、开发颠覆性膜材料产品成为研究热点；二是膜技术应用领域不断扩大，膜与其他技术的集成应用越来越广泛，制约膜技术应用的技术关键不断被攻破，以膜技术为核心的重大工程不断出现；三是产业呈现多方合作、兼并、重组等多元模式发展态势，膜产业链上下游科研机构及企业呈现一体化、国际化发展，膜市场逐渐形成良性竞争。

2.3 纳米材料

2.3.1 主要材料

纳米材料在环境保护方面的应用领域众多，主要包括噪声污染控制、固体废物处理、自清洁、光催化消毒、检测环境污染、防止电磁辐射、纳米过滤、纳米吸附等。随着纳米材料种类的不断增多，纳米材料逐渐成为了环保装备制造的明星材料，如表6所示，其中纳米二氧化钛的应用最为广泛。

2.3.2 发展现状

纳米二氧化钛颗粒尺寸细小，比表面积大、吸附能力强、催化活性高，因此纳米二氧化钛及其复合物成为多相催化及催化剂载体理想材料，有望成功应用于防污闪涂料、空气净化、抗菌、污水处理等领域。据报道，美国环保局公布的9大类114种有机物可以通过光催化氧化处理。目前，我国纳米二氧化钛产业与国际先进水平存在一定差距，如表7所示。

2.3.3 发展趋势

我国在纳米二氧化钛领域的研究及产业化起步较晚，随着科研的不断深入，我国技术人员在其制备和应用领域并取得了丰硕的成果。近年来，在纳米功能材料方面的研究采取产—学—研结合的思路，促使相关产业迅速发展，生产规模不断扩大，产品质量逐渐提高。科研成果不断突破，相关专利迅速积累，创新项目不断落地。预计我国纳米二氧化钛产业发展会步入快车道，技术的研发及市场的拓展应用速度还会不断加快。

2.4 气凝胶材料

2.4.1 主要材料

气凝胶是一种具有纳米多孔结构的新型材料，密度低、比表面积大和热导率低，性能优异，在航空航天、新能源汽车及列车、石油化工等领域拥有巨大应用价值。在环保装备领域，常用的气凝胶材料主要包括无机气凝胶（SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2、Fe203）、有機气凝胶（树脂基、多糖基、纤维素、淀粉、果胶、海藻酸盐、几丁质与壳聚糖、有机无机复合）、碳气凝胶和金属气凝胶四类。具体应用包括墙体的保温隔板、声学隔音装置、能源存储、催化、传感器以及原油、二氧化碳气体、化学有毒蒸汽、炸药废水等的吸附材料。

2.4.2 发展现状

20世纪30年代气凝胶发明于美国，后来应用领域逐渐扩展，受到研究者的关注。目前美国、德国、英国、法国、日本等国家的研究最为活跃，如表8所示。我国的起步稍滞后，近两年气凝胶行业的复合增长率超过了美国。

2.4.3 发展趋势

一是二氧化硅气凝胶的绝热性能好、原材料丰富、制备过程相对简单，因此国内外气凝胶的产业化发展将围绕二氧化硅气凝胶绝热应用展开。二是生产企业增多，产业规模进入快速发展阶段。市场化前期气凝胶价格较昂贵，市场推广力度也较小，但随着节能减排政策的推行和产业体量的迅速扩大，气凝胶行业将驶入发展快速路。三是技术研发速度加快，产品成本逐步降低，生产工艺趋于成熟。四是多样化，轻量化、复合化和柔性化成为重要方向。

3 发展建议

3.1 加快突破重点产品和关键技术

一是加强先进有色材料、高性能膜材料、纳米材料和气凝胶材料等关键材料的基础研究、提升国产材料的产能和性能。二是按照“技术全球并购，产业中国整合”的思路，积极参与全球范围内的知识产权和技术交易，开展国际间的创新合作，引入国际高端项目、人才和团队，打造环保装备领域关键材料技术交流平台，促进相关技术转移和创新资源对接。三是加大财税支持力度，设立各级新材料大基金，积极引导各类基金、银行信贷和债券资金向环保装备关键材料领域倾斜。

3.2 强化创新体系建设和完善

一是加强规划指导，明确企业发展战略及未来方向。对于环保装备关键材料领域的创新体系进行整体规划的政策引导，鼓励创新、扶优扶强，形成全行业创新引领的未来方向。二是加大扶持力度，培育创新主体。借鉴欧美日韩等国的企业研发主体模式，加大金融、投资、人才等政策对企业自主创新的支持力度，加大对企业自主创新的奖励力度，建立企业创新支撑平台，实现由企业主导的研发网络。三是增强产业界与高校、科研院所之间的良性互动，提高科研成果产业化率。鼓励合作研究，促进人才流动，打通基础研究、应用研究到实验开发的创新链。

3.3 着力推进标准的制定及推广

一是标准管理部门，需要统筹规划，推广行业及国家标准制定及更新的成功经验，对标国际标准，并形成与国际标准的快速联动的更新体制，有效提升自主制标的能力，使标准体系更符合国情。二是标准认证、检测机构以及行业协会，要积极受理标准更新的相关信息，在标准确立后为企业提供有针对性的解读和培训，加强对新标准的理解、宣贯和应用。三是企业要充分认识到标准和规范在产品制造中的所起的关键性作用，不断加强跨行业、跨企业间的沟通与合作，了解下游行业的发展现状及需求现状，推动相关标准和规范的制定及更新，提高材料和器件的应用性能。

致谢：感谢基金项目国家新材料产业资源共享平台（TC180A6NJ）的支持。