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节能详情

石墨烯在节能环保行业前景浅析

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  1 环保行业发展概况

  1.1 环保行业简介

  环保产业是指在国民经济结构中,以防治环境污染、改善生态环境、保护自 然资源为目的而进行的技术产品开发、商业流通、资源利用、信息服务、工程承 包等活动的总称。美国将之称为“环境产业”,日本称为“生态产业”或“生态 商务”。

  进入21 世纪,全球环保产业开始进入快速发展阶段,成为支撑国家经济效 益的重要力量,并正在成为许多国家改革和调整产业结构的重要目标。美国、欧 盟以及日本的环保产业由于发展较早,为全球环保市场的主要力量。

  1.2 市场格局

  目前欧美等发达国家的环保产业由于起步较早,已经基本趋于饱和,而像中 国、印度等新型大国由于环保产业起步较晚,目前环保产业正处于飞速上升期, 每年环保投入以及环保产业规模都在不断扩大。发达国家正积极布局亚洲等地区 的环保市场。目前,美、日、德三国在亚洲环保市场的大气污染控制、废水处理、 固体废弃物处理等领域已占据较大份额。

  2 石墨烯在环保行业的应用

  石墨烯是最坚硬的材料之一,且具有巨大的比表面积和极佳的导电性等众多 优异性能,使其在环保领域具有非常广阔的应用前景及巨大的潜在市场价值。

  2.1 海水淡化

  中国科学技术大学吴恒安教授与诺奖得主英国曼彻斯特大学安德烈•海姆教 授课题组合作研究发现,氧化石墨烯薄膜具有精密快速筛选离子的性能。研究表 明,水环境中的氧化石墨烯薄膜与水相互作用后,形成约0.9 纳米宽的毛细通道, 允许直径小于0.9 纳米的离子或分子快速通过,而直径大于0.9 纳米的离子被完 全阻隔。该筛选效应不仅对离子尺寸要求非常精准,而且比传统的浓度扩散快上 千倍,如图2-1 所示。研究人员称,如果通过机械手段进一步压缩薄膜中的毛细 通道尺寸,将能高效率地过滤海水中的盐分。这意味着制造一个在几分钟内即可 将一杯海水淡化成饮用水的过滤装置。

  2.2 污水处理

  随着人口数量的几何增长、现代工业废水的乱排乱放、城市垃圾、 农村农 药喷洒等等,造成本来已是极少的淡水资源加剧短缺,无法为人所用。每年大量 的废污水给我国的环保行业带来巨大的压力。

  水污染情况不断加剧,使得污水处理受到空前的关注。人们在积极寻找污水 处理与利用的方法。基于活性面积大、强度高、化学稳定性好、可修饰性强以及 导电性好等优点,石墨烯不仅可很好的吸附水中的有机溶剂、重金属等污染物, 还可作为催化剂载体,催化水中污染物的降解,因而作为污水处理材料被人们广 泛研究。

  2015 年12 月,曾任英国剑桥大学化学系生物物理化学实验室副主任,现任

  江苏师范大学化学化工学院的李海涛教授利用石墨烯的高吸附性,柔韧性,超薄 以及环保绿色的优势,将其作为一种过滤材料的核心,选取粒径为500 nm 的石 墨烯碎片,通过一种特殊的物理技术,把石墨烯碎片送入活性炭的细孔并附椎在 内表面上,达到增加过滤材料的比表面积,改善过滤效果,研制出一种功能性材 料——石墨烯炭分子筛。

  该材料具有超高的吸附性,且轻薄、稳定、耐热、比表面积大、对人体无害。 与同等重量的活性炭相比其吸附性能提高20 倍。同时,这种石墨烯炭分子筛新 材料还可用于空气质量改善和汽车换气系统滤膜的开发,对环境问题具有很好的 解决促进作用;这种石墨烯炭分子筛材料可以合成一种复合膜,可有效去除饮用 水中的抗生素。这为水处理特别是饮用水的净化处理提供了一种高效滤材。

  虽然吸附可以去除水中的污染物,然而这一技术仅能吸附污染物,而真要达 到净化水还需要对吸附后的材料进行进一步处理。全面沉降或去除污染物可以通 过催化降解的方法。催化治污成本低、效率高,具有非常好的应用前景。而石墨烯巨大的比表面积和表面丰富的官能团赋予其优异的特性,使其作为催化剂载体等方面具有较大的潜力,石墨烯催化剂还可以杀死污水中的细菌。

  2.3 大气治理

  吸收被认为是一种最合理有效的过滤空气的方法。到目前为止很多碳材料 如,活性炭、碳纳米管等已经被用来净化废气。由于具有巨大的比表面积,石墨 烯在大气治理方面也表现出巨大的应用潜力。人们利用石墨烯巨大的比表面积对 大气中的氨、NO2、H2S 等有害气体进行吸收,对大气中的CO2、O2、N2 进行纯 化。此外,利用石墨烯作为催化剂直接可将污染气体转化成易于收集或无毒的气 体,还可将其用于高敏感性分子传感器,对大气污染物进行及时高效检测。

  2.4 节能环保

  石墨烯具有高导热性,导热系数高达5300 W/m•K,这一特性使石墨烯在 热工装备及余热利用中具有广泛的应用前景。利用石墨烯材料,结合现有的工艺 和设备,可提升技术方案和改进或新建设备,实现能耗的大幅下降,帮助传统产 业满足越来越严格的环保法规,获得生存空间。

  2015 年,英国曼彻斯特大学的国家级石墨烯研究所研制出了全新的石墨烯 灯泡,拥有比LED 灯泡更坚固的结构和更低廉的价格。在不少国家,由于LED 灯泡的环保节能及使用寿命长的特性,已经有法律规定来确保LED 灯泡迅速取 代传统白炽灯泡。而就在白炽灯被LED 灯泡逐步取代的时候,这种新型石墨烯 灯泡即将为照明技术带来又一次革新,有望于当年面市并开始销售。这种新型石 墨烯灯泡仍基于LED 技术研发,通过石墨烯大大增强其性能和使用寿命,而且 在价格上有希望比传统LED 灯泡更便宜。这种创新技术的石墨烯灯泡为可调光 灯泡,灯泡内有灯丝形状的LED 灯,且LED 灯外层会涂上石墨烯,石墨烯的导电能力强,可让灯泡使用时间拉长,并减少10%的能源消耗。

  3 石墨烯在环保领域的专利分析

  我国石墨烯在环保领域专利主要集中在水处理领域,中科院宁波材料所发布 的“2015 石墨烯技术专利分析报告”中对国内石墨烯水处理专利进行了详细分 析。从石墨烯在水处理领域的专利构成来看(见图3-1),石墨烯在水处理方面 的专利申请共 375 件,主要集中在催化降解(专利申请量 169 件,占总申请量 的45%);吸附(专利申请量 156 件,占总申请量的 42%);过滤(专利申请量36 件,占总申请量的9%);脱盐(专利申请量14 件,占总申请量的 4%)。

  结合表 3-1,可以看出,水处理领域的重要申请人集中于高校,专利申请以有机物吸附、重金属吸附、过滤分离等技术方案为主方面;中科院和企业也有少量专利申请,主要是催化降解、吸附等。

  4 石墨烯在环保行业中的市场分析

  4.1 石墨烯在环保行业应用时间节点

  石墨烯在环保领域的应用将主要集中在海水淡化和节能环保领域,而在大气 治理、污水处理领域前景还不是非常明确。依据旗舰计划路线图中石墨烯在各领 域的路线图预测,石墨烯节能改进产品已经问世,在3-5 年内石墨烯海水淡化膜 技术将取得突破。在5-10 年内石墨烯海水淡化膜将逐步走入市场并成功应用于 海水淡化。

  4.2 市场前景预测分析

  虽然石墨烯在大气污染的治理与防治、水污染处理、土壤污染治理、节能环 保以及海水淡化等领域的研究成果丰硕,但由于其高昂的价格,在相当长的一段 时间内,多领域的应用仍将停留在研究阶段。但石墨烯在海水淡化以及节能环保 领域将具有非常大应用价值及潜在市场空间。

  Aqua Membranes 数据显示,2010-2015 年海水淡化膜市场以每年15%的规模 增长,而若2015-2020 年市场还按如此速度增长,则到2020 年淡化膜市场将超 过18.4 亿美元。而由于石墨烯膜在海水淡化的独特优势,石墨烯淡化膜技术有 望在2020 年实现突破,一旦进入市场,市场占有率将快速增加,而随着石墨烯海水淡化膜成本的降低以及海水淡化市场的扩大,石墨烯海水淡化膜将在2030年占据超过50%淡化膜市场,届时石墨烯海水淡化膜市场将有望达到37 亿美元 市场规模。

  2010-2020 年期间,全球节能环保投资将达1.999 万亿美元。石墨烯的光电、 热电转换效率极高,研究表明,石墨烯可作为热水器的加热器件在减小体积的同 时能大大提高能量利用率以及加热时间,若该项研究能顺利实现量产,仅这加热 器件这一领域全球就将拥有数亿美元的市场空间。此外,石墨烯LED 灯将很快 面向市场,由于其节能效果理想,寿命长,未来必将占据巨大的市场份额。

  据石墨烯旗舰计划路线图预测,石墨烯节能改进剂将率先实现商业化,而石 墨烯润滑油则是节能改进剂的主要产品。而石墨烯作为添加剂用于润滑油在延长 润滑油使用寿命的同时降低车辆的油耗。截至2015 年底,我国已经有多家企业 开始从事石墨烯润滑油的研究,并有多家有相应产品问世。预计2016 年,仅中 国石墨烯润滑油的市场规模将达到4 亿元,到2020 年将到达50 亿元的市场规模。