(中國粉體技術網/劉莉)據國家環保部的《國家“十二五”環保產業預測及其政策分析》報告初步估算,“十二五”期間環保投資需求約為3.1萬億元,年均投資達6200億元左右,“十二五”期間環保產業產值4.92萬億元。在未來一段時期內,我國的環保產業仍將保持年均15%-20%的增長速度,我國將成為世界最大的環保產業市場之一。
近年來,在環保領域崛起了一種新型材料--納米纖維,其重量輕、滲透性好、比表面積大、孔隙率高、內部孔隙的連通性好、容易與納米級的化學物質或功能性物質相結合,尤其是在過濾領域中針對懸浮顆粒物 PM2.5的去除和收集,納米纖維具有獨特優勢。
納米新材料專家:楊大祥博士
近日,中國粉體技術網編輯(以下簡稱“中國粉體技術網”)就納米纖維在凈化霧霾PM2.5領域的應用采訪了具有突出專業研究背景和企業實戰經驗的楊大祥博士。
1、中國粉體技術網:請您介紹一下什么是納米纖維?如何制備?
楊大祥:納米科學技術是20世紀80年代末期新崛起的一門高新技術。納米纖維每根纖維的直徑約為人類頭發絲的千分之一,可達到100-300nm。利用直徑為幾十或幾百納米的納米級纖維,形成納米纖維交叉構成的互為貫通大孔(大于50nm)結構、納米纖維表面的吸附結構和納米纖維間的小孔和介孔結構,很適合用作過濾材料,其綜合性能更好,價格更低。
納米纖維的制備方法主要有靜電紡絲法、海島型雙組分復合紡絲法、分子噴絲板紡絲法、原纖化法、在聚合過程中直接制造納米纖維等。其中,靜電紡絲是制備納米纖維的有效手段之一。它是使帶電荷的溶液或熔體在靜電場中流動或變形,經溶劑蒸發或熔體冷卻固化得到纖維狀物質的一種過程,簡稱電紡(如上圖1所示)。
2、中國粉體技術網:納米纖維適合應用在哪些領域?在過濾材料領域應用狀況如何?
楊大祥:納米纖維兼具納米材料的小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等特性,表現出優異的力學、光學、電學和熱學性能以及很大的比表面積和優異的表面特性。因此,納米纖維可以應用在醫學組織工程、人造血管、創傷治療、高效過濾、生命體防護、污水處理、海水淡化、環境工程、尾氣處理、電池電極材料、電池隔膜、太陽能帆板、日用化工催化吸附、防水透氣面料、美容美膚產品、吸引、絕熱、高性能復合材料等領域。
目前,微、納米纖維應用最成熟的領域是過濾材料。據估計,到2020年過濾材料市場價值總額將達到7000億美元。
高效過濾技術主要表現在提高過濾介質的比表面積和縮小介質材料的孔徑尺寸。利用靜電紡絲方法能夠得到直徑為幾十或幾百納米的納米級纖維,形成的纖維氈重量輕、滲透性好、比表面積大、孔隙率高、內部孔隙的連通性好、容易與納米級的化學物質或功能性物質相結合,很適合用作過濾材料。
我國在“十二五”期間將提高分離膜的自給率,形成完備的規模化生產能力并實現進口替代。其中超濾和微濾膜年產能將達4500萬~5000萬m2;電驅動膜形成100萬~200萬m2的年產能;反滲透膜年產能要達到1000萬m2,國產反滲透膜份額要上升至25%~30%。而目前,國內反滲透膜年產能只有400萬m2。
據中國前瞻產業研究院統計,國內膜產業總產值已經從1994年2億元上升到2011年的近400億元。在市場需求及產業政策的雙重推動下,我國膜技術產業將迎來“黃金10年”。預計這10年內我國膜產品產值年增長率將達到20%,遠遠高于國際平均水平。
3、中國粉體技術網:近幾年,粉塵污染、粉塵安全事件經常觸動人們的神經。您怎么看待諸如霧霾、粉塵、尾氣等環保話題?對您自身有沒有一些深刻的影響?
楊大祥:近年來,全國一些重點區域的空氣污染問題及其造成的巨大公眾健康損失引起了廣泛的關注,對以京津冀等地區為代表的重點地區的大氣污染治理也成為各級政府部門主要的工作議程。
2013 年9月,國務院出臺《大氣污染防治行動計劃》,提出采取綜合措施減輕京津冀、長三角、珠三角重點區域大氣污染狀況,環保部隨后也發布了《京津冀及周邊地區落實大氣污染防治行動計劃實施細則》,力圖在2017年將京津冀地區 PM2.5 濃度降低25%,并將北京市細顆粒物濃度控制在 60μg/m³( 微克每立方米 ) 的水平。
就我自身而言,經過國防科技大學航天與材料學院十多年的培養以及從事國防科技的相關工作,我一直在尋求為社會、為人類做些有意義的事情。自從2012年華夏大地被霧霾籠罩,PM2.5這個新概念逐步被大眾所認識在人們的環保意識被喚醒的同時,我也找到了自己從事納米新材料研究的嶄新方向。于是,毅然脫掉軍裝選擇轉業到北京市環保局從事大氣環境管理工作,在局機關從事了半年的大氣環境監測管理和政策法規的宏觀管理工作后,又調動到北京市環境保護科學研究院大氣所從事大氣環境治理領域的具體技術研發工作旨在找到我多年研究的納米新材料在環保領域的用武之地。
這些年從事科研工作的最大體會是真正的創新主體是企業,公司化能最快地推動新技術、新產品的應用,能更好地讓高科技真正低成本地走進人們生活,在納米新材料領域超越美日等國家。在這個大眾創新、萬眾創業的年代,我也響應黨中央和習主席的號召下海創業,于2014年創辦了創達祥科技(北京)科技公司和湖州諾盾生物科技有限公司,公司旨在將納米新材料推向市場化應用,用納米科技更好地服務于大眾,首先從空氣過濾和水處理行業入手,在納濾專業領域做強做大。
4、中國粉體技術網:目前,您的團隊對納米纖維過濾材料的研究和運用處于什么階段?市場前景如何?
楊大祥:技術研發團隊從方法-設備-工藝-技術-材料-應用系統思想出發,已經突破了制備納米纖維產率低的瓶頸,將其生產效率較單孔紡絲提高約100倍,已形成年產上百萬平方米納米纖維膜的中試生產線能力。這張圖展示的是連續生產寬幅為600mm的納米纖維膜實物照片(如下圖2所示)。這代表國內該領域研究先進水平,其它大多停留在實驗室項目研究階段。
圖2 連續生產寬幅為600mm的納米纖維膜實物照片
從生產出的納米纖維隔膜的顯微電鏡照片(如下圖3所示)可清楚的看到,纖維直徑在100-300nm之間,孔徑小于1μm。
圖3 納米纖維濾膜的顯微電鏡照片
正是由于納米纖維這種獨特的三維網狀納米多孔結構,使其具有獨特的高效過濾、低阻力特點。本產品已于2014年3月份在國家檢測中心和總裝備部環化研究院針對顆粒直徑為0.3μm(小于PM2.5)做了過濾性能測試試驗,結果為過濾效率大于99%,風阻小于100Pa。
我們現在已形成寬幅1800mm的連續納米纖維隔膜生產能力,每條生產線每天可生產近萬平方米納米纖維隔膜?,F在進口高透膜的價格在20-30元/米,其市場前景非常廣闊。據保守估計,就高效過濾、口罩、新風機、水過濾、油過濾、戶外運動服、沖鋒衣這些市場,可容納幾十條生產線持續生產,經濟效益可觀。同時,我們還做出了中國第一款納米纖維口罩——達康艾爾納米纖維PM0.3口罩。
5、中國粉體技術網:什么是納米纖維PM0.3口罩?達康艾爾納米纖維PM0.3口罩有什么特點?
楊大祥:一般我們提到的懸浮顆粒物(Suspended Particulate Matter,SPM)指的是主要的大氣污染物類型,按照粒徑可分為粒徑小于100微米的總懸浮顆粒物(Total Suspended Particles,TSP)、粒徑小于10微米的粗顆粒物(PM10)和粒徑小于2.5微米的細顆粒物 PM2.5。粗顆粒物和PM2.5容易被人和動物呼吸進入肺部產生一系列致病風險,又稱可吸入顆粒物。其中,PM2.5由于其粒徑小,含大量有毒、有害物質且在大氣中停留時間長、輸送距離遠,對人體健康和大氣環境質量影響顯著。相關研究表明,大氣PM2.5濃度增高可顯著增加人體致癌與非致癌風險,導致諸如肺癌等疾病死亡率上升。
PM0.3則是對空氣中直徑小于或等于0.3微米的固體顆?;蛞旱蔚目偡Q,也稱為可入肺顆粒物。除了富含大量的有毒、有害物質且在大氣中的停留時間長、飄散范圍可超過1000公里外,其對人體健康和大氣環境質量的影響更大。
采用孔徑小于0.3微米的三維納米高效濾材,能高效過濾大氣中的PM2.5和PM0.3,有效過濾空氣中的隱形殺手——細菌病毒、汽車尾氣、二手煙、甲醛、塵螨、霧霾、揮發性化學物、空氣污染毒氣,阻隔飛沫、體液和分泌物,吸收過濾污染毒氣等等。納米纖維PM0.3口罩在工業、醫療衛生行業、公共場合均可有效凈化粉塵和霧霾,而且無論是過濾效率、透氣性還是安全性都大大超越普通口罩(如下圖4、5所示)。
圖4 納米纖維與病毒、PM2.5顆粒、花粉、頭發絲電鏡照片對比圖
圖5 納米纖維過濾材料的顯微電鏡照片
達康艾爾納米纖維PM0.3口罩(如下圖6所示)以世界先進水平的三維納米多孔高效低阻濾膜為核心技術,通過人體工學立體口罩結構設計,在醫用標準潔凈無菌車間生產,采用全自動口罩本體切片技術和自動化耳帶超聲波焊接工藝,將SS無紡布和三維納米多孔濾膜材料焊接成型為適合人體面部結構、密封性能好的防霧霾立體口罩。可以同時實現99%的高效過濾、低于100Pa的阻力、高密封性、舒適性、減少二次污染等卓越性能,滿足用戶不同層次的迫切需求。
圖6 達康艾爾納米纖維PM0.3口罩
6、中國粉體技術網:您怎么看納米纖維環保過濾技術對市場的帶動?未來將會有哪些目標市場?
楊大祥:蘇黎世科學經營咨詢公司估計,到2015年全球納米纖維市場將超過900億美元。據BCC 研究公司的最新報告顯示,未來幾年全球納米纖維市場將快速增長,未來5 年的年均復合增長率將達到34.3%。
綜合納米纖維的性能優勢、技術水平、環保要求、市場需求,其目標市場將會集中在口罩、空氣凈化器、新風系統、空調;工業、學校、醫院;水過濾、生活飲用水、污水處理;油過濾(汽油、柴油、機油)等場合。
以袋式除塵器為例,現已廣泛應用于冶金、有色、電力、機械、建材、化工、輕工、糧食加工等諸多行業。根據統計分析,預計到“十二五”末,我國袋式除塵器行業的總產值可達到250億元左右,各種濾料達到1億平方米 ,纖維濾料用量近5萬噸。
環保產業“十二五”規劃給飲用水源安全保障、水環境污染控制與生態修復等13個領域的裝備研發和產業化發展指明了方向。這些領域都有納米纖維過濾材料的用武之地??梢哉f,納米纖維及這項技術本身所形成的市場并不是最終市場,它具有非常強的帶動性和使能性。展望未來,相信納米纖維環保過濾技術將推動許多行業的設計準則、裝備和系統的變革,并使其增加價值。
附錄:楊大祥簡介
楊大祥,男,1977年生,中共黨員,留英博士。2001年7月從西安交大本科畢業,獲得工學和管理學雙學位,并直接保送到國防科大航天與材料工程學院攻讀碩士學位,同時被部隊特招入伍。2004年2月至2009年6月在國防科大攻讀航天材料專業博士學位,期間被公派赴英國曼徹斯特大學材料科學中心學習。2009年6月應屆博士畢業后被分配到總裝備部裝甲兵工程學院裝備再制造工程系裝備再制造技術國防科技重點實驗室當講師。2013年10月從部隊轉業到北京市環保局環境科學研究院從事大氣環境治理工作。
基于西安交大本科管理學和工學的雙學位知識結構,在這十多年的科研工作中,十分注重科研工作與實際應用的結合,致力于將基礎科研成果往實際應用轉化,面向部隊的實際應用需求,取得一些成功的案例。09年博士畢業后獨立帶團隊開展工作,現已經突破了納米纖維產業化技術瓶頸,并擁有自主知識產權的系列靜電紡絲設備和數十種納米纖維材料的制備方法。公司團隊已經成功地為美國University of the west indies,Vanderbit University,英國University of Manchester,新加坡南洋理工大學、國防科技大學、中南大學、長沙理工大學、總后勤部某研究所等30多家院所提供整套靜電紡絲制備納米纖維設備和技術方案?,F已形成在PM2.5防治領域和高效吸音降噪領域應用的納米纖維的批量生產能力。
公司旨在推動納米纖維產業化進程,發揮納米纖維市場的帶動性和使能性作用,為從事納米纖維相關研究和產業活動提供技術支持服務,加快實現納米纖維國產化,加速其在過濾、隔熱、吸音、生物、服裝、日用化工和武器裝備等領域的應用,讓納米科技真正低成本地走進人們生活,為社會服務。
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