Перспективы применения неорганических мембран в России

Интерес к мембранной технологии в мире не ослабевает, более 40 лет подряд мембранный рынок растет на 10-12% в год. Это определяется и расширением сферы применения мембран, и естественным движением к технологической монополизации на отдельных сегментах. Наиболее заметно это в водоподготовке, где модернизация станций почти всегда связана с мембранным оборудованием. В обзоре представлен обобщающий анализ мембранного рынка в мире и в России, в том числе выделен сегмент рынка неорганических мембран. Дается прогноз развития этого сегмента до 2020 года с оценкой потенциала отдельных отраслей промышленности.

Ключевые слова: неорганические мембраны, керамические мембраны, рыночная конъюнктура, мембранный рынок, ультрафильтрация.

Рынок полупроницаемых мембран, мембранных модулей и мембранных технологий существует с 1960 года, когда появилась промышленная обессоливающая мембрана из модифицированного природного полимера - ацетата целлюлозы. С этого времени наблюдается последовательный рост продаж, и к 2000 году объем рынка только мембранных модулей достиг 6 млрд. долларов в год. Стимулами роста рынка были регулярно открывающиеся новые возможности мембранного разделения, связанные с улучшением разделительных параметров мембран, появлением новых мембранных материалов, разработкой новых конструктивных решений по мембранным модулям, вовлечением в сферу мембранного разделения все новых подотраслей, производств и регионов.

Драйверами мембранного рынка за эти годы были следующие обстоятельства:
- огромные инвестиции в исследования и разработки;
- давление со стороны правительств разных стран в виде нормативных актов по защите окружающей среды от промышленных выбросов;
- повышающийся спрос на чистую и сверхчистую воду для обеспечения питьевых нужд и производственных процессов;
- стремительный рост экономики развивающихся стран;
- постоянное снижение цен на мембранные модули в связи с глобализацией и структурированием рынка. Беря во внимание темпы роста мирового рынка мембранных модулей за последние 10 лет (7,5 млрд. долларов в 2003 году и 15,6 млрд. долларов в 2012 году) [1], можно спрогнозировать динамику до 2020 года (рис.1). При этом для модулей с неорганическими мембранами предполагается более быстрый рост продаж.

Для специалистов будет интересен прогноз развития рынка мембранных модулей по процессам разделения: обратный осмос (ОО), нанофильтрация (НФ), ультрафильтрация (УФ), микрофильтрация (МФ), первапорация (ПВ) и газоразделение (ГР). Здесь использованы методы экстраполяции, которые не учитывают возможных революционных переломов в развитии технологии и не дифференцируются по материалам мембран.

Важным обстоятельством для российского мембранного рынка является его место в мире. Рассмотрим сначала географическую сегментацию последнего.

Россия входит в группу стран, условно называемую «остальной мир». Эта группа занимает около 7% мирового рынка, прогнозируется абсолютный рост этого рыночного сегмента, но менее быстрый, чем по другим регионам, поэтому к 2020 году предполагается снижение рыночной доли «остального мира» до 6,5% [2].

Для более точной оценки рассмотрим фактический рост и прогноз российского рынка на более длительном отрезке времени [3].

К сожалению, по сей день наблюдается относительное отставание объема мембранного рынка в России по сравнению с ведущими европейскими странами. Это хорошо иллюстрируется величиной коэффициента мембранного рынка (отношением объема мембранного рынка к величине ВВП) в разных странах (таблица 1). Приведены данные за 2012 год.

Поскольку мембранная технология является жизнеобеспечивающей отраслью, можно предположить, что российский рынок в целом будет расти быстрее мирового. Если на мировом рынке до 2020 года прогнозируется стабильный рост в 8% в год, то для российского рынка в оптимистическом прогнозе можно рассчитывать на 11,12% годовых.

Аргументом в пользу оптимистического прогноза является, во-первых, создание отечественного производства плоских полимерных мембран и рулонных мембранных модулей широкого ассортимента в г. Владимире - ЗАО «РМ Нанотех». Во-вторых, принятое страной направление на импортозамещение непременно привлечет интерес к мембранной технологии, и, конкретнее, к неорганическим мембранам в широком спектре отраслей, что будет подробно обсуждаться ниже.

На российском мембранном рынке, как и на аналогичном рынке любой другой страны, тенденций по географическому признаку не прослеживается. Это связано со следующими обстоятельствами. Первое - мембранные модули не являются товаром широкого потребления, не реализуются в розничной сети, их продажи не зависят от платежеспособности населения. Второе - поставщиками конечного продукта мембранных установок являются инжиниринговые компании. При изготовлении мембранных установок мембранные модули являются одним из видов комплектующих изделий, как и насосы, компрессоры, емкости, теплообменники, фильтры, трубопроводы, арматура, контрольно-измерительные приборы и еще десятки изделий (для каждой мембранной установки - индивидуальный набор). Изготовление мембранных установок, их контрольный монтаж и гидравлические испытания проводятся на производственной базе инжиниринговой компании и очень редко у заказчика. Затем установка разбирается, упаковывается и перевозится заказчику, где уже осуществляется окончательный монтаж и пусконаладочные работы. Затраты на транспортировку не превышают 2% общей стоимости работ для условий России.

Рыночным товаром неорганические мембраны стали с середины 80.х годов. С тех пор доля их на мировом рынке постоянно растет и в 2013 году достигла 9%. До 2020 года темпы роста этого сегмента рынка мембранных модулей прогнозируются более высокими (8,8%), чем общие темпы роста (8%). И это невзирая на то, что особенности их технологии ограничивают практические области применения неорганических мембран в основном процессами микро- и ультрафильтрации.

Доказательством технического и коммерческого прогресса этого сегмента рынка мембран является в том числе и динамика патентования.

С 2005 года большая часть патентов выдается на новые применения неорганических мембран, в том числе в водоподготовке и очистке сточных вод. Значительное количество патентов по этой тематике напрямую связано с ужесточением национальных экологических стандартов. С этим связывают и быстрый рост рынка не. органических мембран микро- и ультрафильтрационного классов. На рис. 5 показано распределение продаж микро- и ультрафильтрационных мембран в 2012 году. Надо признать, что в России этот рыночный сегмент на порядок менее развит по причине отсутствия жестких природоохранных законов и слабого контроля за исполнением уже принятых.

В России в водоподготовке неорганические мембраны не используются, в очистке сточных вод они применяются на 0,15%, в технологических процессах - на 0,85% от общего объема потребления всех мембранных модулей в 2012 году. Потребителями этих мембран в сфере очистки сточных вод являются предприятия ГК «Росатом» (переработка жидких радиоактивных отходов). Потребителями в сфере технологических процессов - в основном молочные заводы.

Среди инжиниринговых компаний, создающих конечный продукт - мембранную установку, на нашем рынке представлены в основном российские компании, которые и конкурируют между собой в борьбе за получение заказа.

Рассмотрим подробнее участников российского рынка неорганических мембран.

На сегодняшний день к числу производителей мембранных модулей относятся:
1. НПО «Керамик-фильтр» (г. Мос.ква). Производит мембранные модули трубчатой и многоканальной блочной конфигурации различного диаметра.
2. ОАО «Красная Звезда» (г. Москва). Производит листовые композиционные металлокерамические мембраны и мембранные модули прямоугольной и дисковой конфигурации.
3. TAMI Industries (Франция). Производит мембранные модули многоканальной блочной конфигурации.
4. Membraflow (Германия). Производит мембранные модули многоканальной блочной конфигурации.

Из имеющихся в мире более 100 производителей неорганических мембранных модулей заметны на российском рынке только перечисленные выше.

В СССР прикладные научные разработки по мембранной технологии проводились в институтах Академии наук, отраслевых НИИ и в ВУЗах [4]. Как правило, такие исследования проводятся по заказу потенциальных потребителей, которые созрели до понимания полезности применения мембран в своих технологических схемах.

Разработкой новых технологий с применением керамических мембран в России сегодня занимается очень мало организаций, и это основная причина неразвитости рыночного сегмента неорганических мембран.

Среди разработчиков:
1. Российский химико-технологический университет им.Д.И.Менделеева, кафедра мембранной технологии (г. Москва). Университет имеет хорошо оснащенные лаборатории и большой научный потенциал для решения задач мембранного разделения.
2. Институт физической химии РАН (г. Москва). Лаборатория сорбции и мембранной технологии специализируется в разработке новых технологий очистки жидких радиоактивных отходов.
3. ООО «Научно-производственная фирма «Гелла-ТЭКО» (г. Москва). Разработки по применению керамических мембран в технологии очистки жидких радиоактивных отходов, в разделении водомасляных эмульсий, в осветлении соков, в очистке нефтяных масел.
4. ФГУП «Центр Келдыша» (г. Москва). Разработки по применению керамических мембран в водоподготовке.
5. ЗАО «Научно-производственное предприятие «Баромембранная технология» (г. Владимир). Разработка технологических схем очистки промышленных стоков с применением керамических мембран.

Инжиниринговые компании, имеющие опыт проектирования и изготовления мембранных установок с неорганическими мембранами, немногочисленны.

Ниже перечислены компании, работающие с керамическими мембранами. Это:
1. ООО «Фильтропор Групп» (г. Москва). Изготовление мембранных установок с керамическими мембранами для перерабатывающей промышленности.
2. ООО «Научно-производственная фирма «Гелла-ТЭКО». Москва. Изготовление мембранных установок с керамическими мембранами для переработки жидких радиоактивных отходов, для осветления яблочного сока, для рыбопереработки.
3. ЗАО «Биотехпрогресс» (г. Кириши). Мембранные установки с листовыми и трубчатыми керамическими мембранами для очистки жидких радиоактивных отходов и пластовых вод.
4. ООО «Гидротех» (г. Москва). Изготовление мембранных установок для водоподготовки.

Из анализа российского рынка мембранных модулей следует очевидный вывод о его заметном отставании от рынков развитых стран как в количественном, так и в качественном выражении. Причины этого носят и объективный, и субъективный характер.

К причинам объективного характера относятся:
- несовершенное законодательство в природоохранной сфере;
- относительно низкий уровень доходности многих промышленных отраслей;
- несбалансированность федеральных целевых бюджетных программ по поддержке и развитию отдельных направлений производства и жизнеобеспечения населения;
- практическое игнорирование государством развития прикладной науки.

К причинам субъективного характера относятся:
- недостаточная информированность владельцев и топ-менеджеров различных предприятий о возможностях и эффективности мембранных процессов разделения в их производствах;
- нежелание и в некоторых случаях принципиальный отказ частных инвесторов вкладывать деньги в НИОКР;
- крайне малое количество центров прикладной науки.

Без мембранных технологий развитие страны не остановится, но современная индустрия без мембран уже существовать не может. Из проведенного исследования видно, что по сравнению с мировым рынком российский рынок мембранных модулей значительно деформирован. Деформации наблюдаются прежде всего в отраслевом отношении и в отношении материала мембран.

Подавляющее количество модулей потребляется в сегменте водоподготовки - около 80%. Десятая часть уходит в медицинское применение, 6,7% востребованы в технологическом сегменте, остальные - в очистке стоков. Во всех сегментах доля неорганических мембран неоправданно мала.
Рассмотрим подробнее ситуацию в некоторых рыночных сегментах.

Специфика сегмента очистки стоков состоит в том, что для предприятий химической, нефтехимической, пищевой, перерабатывающей промышленности, машиностроения и т.д. требуется индивидуальная разработка технологии мембранной очистки их стоков. Даже внутри отрасли составы стоков для каждого предприятия различны. По этой причине типовых решений по очистке и переработке промышленных стоков не существует. На этом рынке для каждого клиента разрабатывается индивидуальное решение.

По мнению специалистов, ситуация с очистными сооружениями на постсоветском пространстве плачевна. Около 80% очистных сооружений канализации поселков, небольших и средних городов России не работают или не обеспечивают необходимое качество очистки сточных вод из-за ненадежности и износа оборудования, ухудшения и полного прекращения процесса биологической очистки в холодное время года.

Низкая рентабельность очистных сооружений канализации, использующих традиционные технологические решения (их срок окупаемости более 20 лет), препятствует поступлению частных инвестиций в эту сферу. Переломить в корне отношение к этой отрасли, как считают специалисты, можно только внедрением новых технологий очистки сточных вод, обеспечивающих снижение капитальных и эксплуатационных затрат в два-три раза, что обеспечивает технология мембранного биологического реактора (МБР).

Сегодня на рынке МБР продукцию предлагают около 40 компаний, практически все - на основе полимерных мембран. У керамических модулей преимущество - в эффективности регенерации мембран, но проигрыш - в начальной стоимости. Тем не менее на российском рынке, где технология еще не стала широко известной, потенциал керамических МБР весьма велик.

Нефтехимическая отрасль в России сохранила свой потенциал и даже имеет некоторое развитие. Проблемы сточных вод на производствах этого профиля такие же, как и на предприятиях Европы и США: выведение из стоков отработанных катализаторов и возврат их на повторное использование; глубокая очистка стоков от эмульгированных нефтепродуктов, которые представляют особую опасность для окружающей среды; концентрирование латексных суспензий, когда до 90% выделенной воды возвращается на производство; выделение из стоков поверхностно-активных веществ (ПАВ) и красителей, которые доутилизируются при их возврате в технологическую линию; регенерация растворителей в комбинированных. Во всех этих процессах неорганические мембраны могут стать востребованными.

Сточные воды нефтеперерабатывающих заводов содержат в основном эмульгированные нефтепродукты, выведение которых из воды до требуемого уровня традиционными методами практически невозможно. Неорганические мембраны легко справляются с этой задачей, выделяя чистую воду, практически свободную от нефтепродуктов, и доводя содержание нефтепродуктов в концентрате до возможности их возврата в переработку.

Неорганические мембраны являются безальтернативными в атомной энергетике благодаря своей радиационной стойкости. Ультра- и микрофильтрация в технологических схемах переработки ЖРО не являются единственным методом, но без них сегодня уже не обойтись. Эта отрасль в России сегодня наиболее восприимчива к широкому внедрению неорганических мембран благодаря интенсивным НИОКР нескольких научных центров.

К предприятиям перерабатывающей промышленности относятся молочные, спиртовые, мясные, крахмало-паточные, сахарные, рыбоперерабатывающие, маслоэкстракционные заводы. Для этих предприятий необходима разработка технологии очистки стоков, где керамические мембраны являются главным инструментом. Параллельно требуется решение задачи по утилизации или уничтожения концентратов, что может стать более сложным, чем сама очистка, процессом.

Хотя мембранная технология в целом и керамические мембраны в частности изначально создавались для очистки воды, очень быстро стало ясно, что их применение в производстве различных продуктов может кардинально изменить производства, а иногда даже получить принципиально новые продукты. Понятно, что речь идет о жидких средах, поэтому все мембранные инновации совершались в химической, фармацевтической, пищевой, перерабатывающей отраслях промышленности.

Мембранные процессы разделения заменяют такие традиционные методы, как дистилляция, реагентное разделение, экстракция, сорбция, ионный обмен, что позволяет резко сократить энергетические затраты, упростить оборудование, снизить или исключить использование дополнительных химических реагентов и, что особенно важно, сохранить в процессе переработки сырья нативное, т.е. природное состояние целевых продуктов. Например, чтобы выделить из многокомпонентной смеси чистый белок, не надо его денатурировать, т.е. осаждать, а можно, используя различия в размере молекул, сразу получить чистым в первоначальном растворенном состоянии.

Надо особо отметить, что внедрение мембранных процессов в производство продуктов сталкивается с гораздо большими трудностями, чем в водоподготовку и очистку стоков. Тем не менее эксперты считают, что применение мембран в основных технологиях станет наиболее важной областью рынка. Крупнейшие сегменты: химическая промышленность (22%), фармацевтическая и биотехнологическая (13%), пищевая и перерабатывающая промышленность (10%).

Неорганические мембраны в этих рыночных сегментах имеют неоправданно малые доли. Дело в том, что с точки зрения химической природы веществ, которые надо выделять, очищать и концентрировать в этих производствах, значительная часть требует таких мембранных процессов, как ультра- и микрофильтрация. Это соответствует классу керамических мембран, которые выигрывают в химической стойкости, в отсутствии вторичного загрязнения продуктов самим мембранообразующим материалом, в длительном ресурсе, но проигрывают в величине первоначальных капитальных затрат.

Как бы там ни было, но в российском рыночном сегменте мембран в технологии различных продуктов неорганические мембраны в процентном отношении выглядят предпочтительнее, чем в том же мировом. Правда, в денежном отношении они сильно отстают от мирового, но общественное профессиональное мнение в значительной степени на стороне керамических мембран. Быстрый, даже взрывной прогресс возможен, если будут предложены новые технологические решения.

Мембранное разделение необходимо прежде всего для получения чистых и особо чистых химических продуктов и минеральной, и органической природы. К ним относятся пигменты, кислоты, спирты, поверхностно-активные вещества, растворители и многое другое. Вторая часть этого рыночного сегмента мембранных модулей относится к многотоннажной химии. Это продукция для сельского хозяйства - жидкие удобрения, пестициды, гербициды и другие препараты. Это продукция бытовой химии - чистящие и моющие средства, шампуни и гели, красители, средства от насекомых и т.п. Третья часть рынка в этом сегменте связана с нефтепереработкой и нефтеоргсинтезом. Практически все виды топлив, начиная от дизельного топлива для мотоколясок и кончая авиационным топливом, нуждаются в микрофильтровальной очистке перед употреблением. В этот же рыночный сегмент целесообразно включить и потребности в керамических мембранных модулях для регенерации нефтяных масел вообще и трансформаторных масел, в частности.

Биотехнологию и фармацевтику объединяет то обстоятельство, что многие технологические процессы основаны на микробном синтезе продуктов. Эти продукты в ходе метаболизма микроорганизмов выбрасываются из клетки и оказываются в жидкой фазе культуральной жидкости. Значит, первой стадией получения чистых биопрепаратов становится отделение биомассы микроорганизмов. В традиционных регламентах эта стадия наиболее сложна и затратна, поскольку всегда сопровождается сложной аппаратурой, высоким энергопотреблением и неполным отделением клеток. Здесь успешно будут работать микрофильтрационные керамические мембраны.

Второе важнейшее применение теперь уже ультрафильтрационных мембран - разделение высокомолекулярных и низкомолекулярных растворенных компонентов, смесь которых образуется почти во всех реакционных средах этих предприятий. Только неорганические УФ-мембраны применимы в этом процессе, поскольку требуется ежедневная промывка и паровая стерилизация мембран.

Кроме того, мембранная фильтрация [5] может использоваться при производстве витаминов, антибиотиков, чистых аминокислот для фармацевтики и ветеринарии; ферментов; биологически активных пищевых добавок; биотоплива; апирогенной воды и инъекционных лекарственных препаратов; кровезаменителей; кормового белка из растительного сырья.

Удовлетворенный спрос на мембранные модули для фармацевтики и биотехнологии в 2012 году составил 2 млрд. долларов, из них на ультра- и микрофильтрацию пришлось около 1 млрд. долларов. По прогнозам специалистов, именно эти подсегменты рынка будут расти быстрее других и к 2020 году должны достигнуть уровня в 1,95 млрд. долларов. Рынок мембранных модулей в этом сегменте в России еще не сформировался, а в фармацевтике даже развалился, что вызвано государственной политикой отказа от собственного производства лекарств.

Все более широкое распространение получает применение мембран в перерабатывающей промышленности. В частности, к 2000 году около 10% всех молочных предприятий в мире были оснащены мембранными установками. Сегодня их число оценивается в 30%, но при очень неравномерном распределении: практически все молочные заводы в Европе и США перешли на мембранную технологию, в России - не более 1%.

Подводя некоторые итоги, можно предположить, что спрос на керамические мембраны в России в ближайшие годы может вырасти в 4-5 раз. Потенциал же российского рынка во много раз больше, поскольку сферы применения керамических мембран лежат именно в тех отраслях, которые по определению не могут деградировать, поскольку они обеспечивают жизнедеятельность населения

Литература:
1. Membrane Technology for Liquid and Gas Separations. MST041G. BCC Research. 2014. Р.363.
2. Membranes Market - Global Industry Analysis, Size, Share, Growth, Trends and Forecast 2014 - 2020, Transparency Market Research, 2014.
3. Свитцов А.А. Мембранные технологии в России. // The Chemical Journal, октябрь 2010. С.22-26.
4. Волков В.В. Мембраны и нанотехнологии./В.В.Волков, Б.В.Мчедлишвили, В.И.Ролдугин, С.С.Иванчев, А.Б.Ярослав- цев. // Российские нанотехнологии. 2008. - Т.3. -№11-12. - С.67-99.
5. Кудряшов В.Л. Роль и эффективность мембранных процессов при модернизации пищевой промышленности. // Пищевая промышленность. - 2012. №10.- С.14-18.
6. Евдокимов И.А. Обработка молочного сырья мембранными методами./ И.А. Евдо- кимов, Д.Н. Володин, М.В. Головкина, М.С. Золоторёва // Молочная промышленность. - 2012. - №2. - С.34-37.
7. Копылова Л.Е. «Образовательная программа «Прикладные мембранные технологии». Тезисы докладов и материалы научно- практического семинара «Мембранная очистка воды». Деловая программа водного форума «ЭКВАТЭК-2014».

Perspective use of inorganic membranes in Russia

Interest in membrane technology in the world continues unabated, more than 40 years in a row membrane market grows by 10-12% a year. This is determined by the expansion of the scope of application membranes, and movement to the process of monopolization in certain segments. This is most noticeable for water treatment, where the modern- ization of stations is almost always associated with the membrane equipment. The summary analysis of membrane market in world and Russia is shown in the article. Particular attention is given to such segment of the market as inorganic membranes. The forecast of development of this segment of the market till 2020 is given in the article. The forecast made in view of capacity of the individual branches of industry.

Keywords: inorganic membrane, ceramic membrane, membrane market, market trends, ultrafiltration.

Aleksei Svitsov, Russian University of Chemical Engineering named after D.I.Mendeleev
54, build.3, Novoslobodskaia str., Moscow 127055, Russian Federation. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Фото: vagner-ural.ru

Журнал «Вода Magazine», №5 (93), 2015 г.