Im sich ständig weiterentwickelnden Bereich der Membrantrennungstechnologie markieren jüngste Entwicklungen einen wichtigen Meilenstein. Die Nationale Konferenz für Wissenschafts- und Technologiepreise würdigte drei bahnbrechende Projekte in diesem Bereich und demonstrierte damit Chinas wachsenden Einfluss im Umweltingenieurwesen und Ressourcenmanagement:
Die Studie „Schlüsseltechnologie und Anwendung einer neuen Membranwasseraufbereitung“ wurde für ihre Fortschritte in der Wasseraufbereitungstechnologie mit dem renommierten ersten Preis ausgezeichnet.
Die Entwicklung und Anwendung von Membranmaterialien zur Gasreinigung wurde mit dem zweiten Preis ausgezeichnet und hob Innovationen im Bereich der Luftreinigung hervor.
Die Entwicklung und Anwendung eines Technologiesystems zur Gewährleistung der Trinkwassersicherheit, ein facettenreiches Projekt unter Einsatz verschiedener Membrantechnologien, wurde ebenfalls mit dem ersten Preis ausgezeichnet.
Dies ist das erste Mal, dass die Membrantrenntechnik innerhalb eines Jahres drei nationale Wissenschafts- und Technologiepreise erhalten hat – ein Beweis für Chinas wachsende technische Expertise. Diese Auszeichnungen unterstreichen die zunehmende Bedeutung der Membrantrenntechnik für ökologische Nachhaltigkeit, Ressourcenrückgewinnung und industrielle Prozesse.
Was macht die Membrantrenntechnik so leistungsstark?
Im Vergleich zu herkömmlichen Trennverfahren bietet die Membrantrennung mehrere wesentliche Vorteile:
Energieeffizienz: Die meisten Prozesse finden bei Raumtemperatur statt und benötigen daher nur minimale Energie, da kein Phasenwechsel erforderlich ist (außer in Fällen wie der Destillation).
Einfachheit und Skalierbarkeit: Es ermöglicht Konzentration, Reinigung und Trennung in einem Schritt und lässt sich problemlos sowohl für kleine als auch für große Produktionsmengen skalieren.
Umweltvorteile: Es handelt sich um eine chemikalienfreie, anpassungsfähige und kostengünstige Lösung für zahlreiche Branchen.
Diese Eigenschaften haben zu ihrer breiten Anwendung in verschiedenen Branchen geführt, von der Stofftrennung über die Detektion und kontrollierte Freisetzung bis hin zur Reaktionskontrolle. Aufgrund ihres immensen Potenzials genießt die Membrantrenntechnik in China seit Langem hohe Priorität. Im Rahmen des 13. Fünfjahresplans unterstrichen 23 Strategiepapiere ihre Bedeutung, und neue Richtlinien im Rahmen des 14. Fünfjahresplans fördern ihre Weiterentwicklung kontinuierlich.
Membrantrennverfahren in der Wasseraufbereitung: Transformation der Branche
Die Wasseraufbereitung ist nach wie vor das größte und am weitesten entwickelte Anwendungsgebiet für Membrantrennverfahren, wobei Entsalzung und Trinkwasseraufbereitung die wichtigsten Anwendungen darstellen. Diese Dominanz erklärt, warum Umkehrosmosemembranen in China und weltweit den größten Marktanteil haben.
Ein herausragendes Projekt der diesjährigen Preisverleihung, „Schlüsseltechnologie und Anwendung neuer Membranwasseraufbereitungsverfahren“, umfasst bedeutende Durchbrüche bei Membranen zur Trennung von Reinstwasser – entscheidend für die Halbleiterfertigung – sowie Innovationen in der Aufbereitung von nuklear kontaminiertem Wasser. Die erfolgreiche Lokalisierung dieser fortschrittlichen Membranen, die zuvor von ausländischen Unternehmen dominiert wurden, stellt einen wichtigen Fortschritt für Chinas Technologiesektor dar.
Beispielsweise haben chinesische Unternehmen wie Wharton Technology Co., Ltd. eigene Reinstwassermembranen der UE-Serie entwickelt, die mittlerweile in zahlreichen Hightech-Mikroelektronikprojekten eingesetzt werden. Um dieses Wachstum weiter zu fördern, hat der chinesische Membranindustrieverband mehrere Gruppenstandards eingeführt, darunter:
Technische Anforderungen an Ultrafiltrationsmembrankomponenten für Reinstwasser in der Halbleiterindustrie (T/ZGM 011-2023),
Normen für spiralförmige Umkehrosmosemembranen (T/ZGM 012-2023),
Elektroden-Deionisierungsmembranstapel (T/ZGM 013-2023).
Diese Standards helfen inländischen Unternehmen, globale Maßstäbe zu erreichen, Produktinnovationen voranzutreiben und die qualitativ hochwertige Entwicklung der chinesischen Membranindustrie zu fördern.
Abwasserbehandlung: Verschmutzung in Ressourcen verwandeln
Die Membrantrennungstechnologie revolutioniert auch die Abwasser- und Kläranlagentechnik. Angesichts der verschärften Umweltauflagen in China stehen die Industrien unter enormem Druck, Abwasser effektiv und kostengünstig zu behandeln. Das traditionelle Dilemma, Behandlungskosten und Umweltverantwortung in Einklang zu bringen, hat viele Unternehmen dazu getrieben, aus finanziellen Gründen auf illegale Einleitungsmethoden zurückzugreifen.
Bei effektiver Anwendung kann die Membrantrenntechnik die Abwasserbehandlung nicht nur zu einer ökologischen Notwendigkeit, sondern auch zu einem rentablen Geschäft machen. Ein Beispiel hierfür ist das Projekt „Membranaufbereitungs- und Integrationstechnologie für emissionsfreie Zellstoffabwasseraufbereitung“, das von Professor Xing Weihong unter der Leitung von Xu Nanping, einem Mitglied der Chinesischen Akademie der Ingenieurwissenschaften, geleitet wurde. In diesem Projekt wurde die weltweit erste emissionsfreie Demonstrationsanlage für Zellstoffabwasser errichtet, die 40,000 Tonnen pro Tag verarbeiten kann. Sie rettete das kurz vor dem Aus stehende Papierprojekt „Nantong Prince“ und ermöglichte eine Sanierung im Wert von 10 Milliarden Yuan.
Ein jüngeres Beispiel ist der Feinchemiepark im Industriepark Pingluo in Ningxia. Der Park, der in der Vergangenheit stark unter Umweltverschmutzung litt, sah sich aufgrund seines Unvermögens, Wasserbedarf und Abwasseraufkommen in Einklang zu bringen, mit erheblichen Einschränkungen konfrontiert. Daraufhin wurde Chinas erstes abwasserfreies Projekt zur Abwasserbehandlung in einem Feinchemiepark ins Leben gerufen. Das von Meifeng Environment umgesetzte Projekt nutzte eine fortschrittliche Membrantrenntechnik, um eine vollständige Wiederverwendung des Abwassers ohne externe Einleitung zu erreichen. Das Verfahren wandelt Sole in industrietaugliche Salze um, die in der Produktion wiederverwendet werden, wodurch die Kosten der Abfallentsorgung deutlich gesenkt werden.
Das in diesem Projekt eingesetzte Membransystem erzielt eine Rückgewinnungsrate von 98.6 % und reduziert den Anteil an verunreinigtem Salz im Abfall im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren um 95 %. Dieser Durchbruch ermöglicht es dem Park, täglich 10,000 Tonnen Abwasser aufzubereiten und so seinen Produktionsbedarf zu decken. Gleichzeitig kann das Wasser für die Landschaftsbewässerung und die städtische Wasserversorgung wiederverwendet werden.
Gasreinigung und -trennung: Innovation trifft auf Effizienz
Über die Wasseraufbereitung hinaus erzielt die Membrantrenntechnik bedeutende Fortschritte in der Gasreinigung – einem entscheidenden Bereich für Industrien, die mit Luftqualität und Emissionen zu kämpfen haben. Traditionelle Verfahren wie Schlauch-, Zyklon- und elektrostatische Entstaubungssysteme werden seit Langem zur Staubbekämpfung eingesetzt, während Adsorption, Kondensation, Verbrennung und chemische Absorptionsverfahren zur Kontrolle flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) verwendet werden. Diese konventionellen Technologien stoßen jedoch bei der effektiven Behandlung von Feinstaub und komplexen industriellen Abgasen an ihre Grenzen, insbesondere wenn eine hohe Rohstoffrückgewinnung erforderlich ist. Im Gegensatz dazu erweist sich die Membrantrenntechnik als energieeffiziente und leistungsstarke Alternative, die Emissionsnormen erfüllt und gleichzeitig eine wertvolle Rohstoffrückgewinnung ermöglicht.
Ein Paradebeispiel hierfür ist das preisgekrönte Projekt „Entwicklung und Anwendung von Membranmaterialien zur Gasreinigung“ unter der Leitung von Professor Jin Wanqins Team vom Staatlichen Schlüssellabor für Material- und Chemieingenieurwesen der Technischen Universität Nanjing. Ihre bahnbrechenden Innovationen im Bereich der Membranmaterialien haben einen neuen Standard für die Entfernung von Feinstaub (im Submikrometerbereich) und organischen Verbindungen aus industriellen Rauchgasen gesetzt und ermöglichen gleichzeitig die Rückgewinnung von hochwertigen Pulvern und Lösungsmitteln.
Durchbruch bei der Gasreinigung durch Membrantechnologie
Das Team um Professor Jin entwickelte eine neuartige Methode zur Konstruktion von Gas-Feststoff-Trennmembranen und stellte einen Zusammenhang zwischen der Leistungsfähigkeit der Membranstruktur und den Kontrollparametern her. Die von ihnen entwickelten Gasreinigungsmembranen übertreffen internationale Standards deutlich: Sie weisen eine um über 30 % höhere Luftdurchlässigkeit und eine um 198 % höhere mechanische Festigkeit auf. Diese Membranen können 99.99 % des 0.3 Mikrometer großen Feinstaubs abscheiden und übertreffen damit die globalen Normen weit.
Eine zentrale Herausforderung bei der industriellen Gasreinigung ist die Kontamination mit öligen Aerosolen. Diese können auf herkömmlichen Filtermaterialien Ablagerungen bilden und deren Leistungsfähigkeit mit der Zeit beeinträchtigen. Um dem entgegenzuwirken, entwickelte das Team eine wärmeunterstützte In-situ-Funktionalisierungsmethode, mit der Membranen sowohl hydrophob als auch oleophob gemacht werden können. Diese Innovation ermöglicht eine präzise Steuerung der Membranbindung und -benetzbarkeit. Das Ergebnis ist eine Membran mit doppelter Abweisung, die schmutzabweisend ist und eine verlängerte Lebensdauer aufweist.
Anwendungen in der Praxis und wirtschaftliche Auswirkungen
Die von Professor Jins Team entwickelten Gasreinigungsmembranen finden heute branchenübergreifend breite Anwendung. Über 200 Projekte, darunter solche von Großunternehmen wie Sinopec, Hengyi Petrochemical und Jiangsu Huachang Chemical, nutzen diese Technologie. Die Projekte erstrecken sich über 25 Provinzen und autonome Regionen Chinas und leisten einen bedeutenden Beitrag zur industriellen Abgasreinigung. Die Membranen sind besonders wirksam bei der Behandlung chlorhaltiger Gase und ölhaltiger Abgase – Bereiche, in denen herkömmliche Technologien oft an ihre Grenzen stoßen.
Bislang wurden mit dieser Membrantechnologie über 300 Milliarden Kubikmeter Industriegas verarbeitet und dabei hochwertige Pulver und organische Lösungsmittel im Wert von über einer Milliarde Yuan gewonnen. Die wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile sind beträchtlich und zeigen, dass die Membrantechnologie nicht nur Industrieabgase reinigen, sondern auch Abfall in Wertstoffe verwandeln kann.
Funktionsweise von Gastrennmembranen
Gastrennmembranen funktionieren nach einem einfachen Prinzip: Der Unterschied im Partialdruck auf beiden Seiten der Membran bewirkt die Trennung der Gaskomponenten. Unterschiedliche Gasmoleküle durchdringen die Membran mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Schnellere Moleküle sammeln sich auf der Permeationsseite an, während langsamere auf der Zufuhrseite verbleiben. Dadurch wird die Trennung von Gasgemischen ermöglicht.
Im Vergleich zu traditionellen Methoden wie Kryotechnik, Druckwechseladsorption und chemischer Adsorption bietet die Membrantechnologie eine Reihe von Vorteilen:
Betrieb bei Raumtemperatur: Keine extremen Temperaturen erforderlich, wodurch das Gerät energieeffizienter ist.
Einfachheit und Modularität: Die Geräte sind unkompliziert und lassen sich leicht vergrößern oder an verschiedene Anforderungen der Gastrennung anpassen.
Hohe Effizienz: Es ist in der Lage, eine breite Palette von Gasen mit beeindruckender Trenngenauigkeit zu verarbeiten.
Diese vielseitige Technologie hat sich in verschiedenen Branchen bewährt. Beispielsweise wird sie zur Wasserstoffgewinnung in der Ammoniaksynthese, zur Abgasreinigung in petrochemischen Prozessen sowie in Sauerstoff- und Stickstoffanreicherungsanlagen eingesetzt. Diese praktischen Anwendungen belegen die Wirtschaftlichkeit und den praktischen Nutzen der Membrantrenntechnik zur Gasreinigung.
Helium: Das „goldene Gas“, das Hightech-Industrien und Chinas Wettlauf um Selbstversorgung antreibt
Helium, oft auch als „goldenes Gas“ bezeichnet, spielt in einer Vielzahl von Branchen eine entscheidende Rolle – von militärischen Anwendungen und petrochemischen Prozessen bis hin zu Medizintechnik, Halbleiterfertigung und Tiefseetauchen. Es ist ein unverzichtbarer Bestandteil supraleitender Experimente und der Kryokühlung und somit eine seltene und strategische Ressource, die für globale Hightech-Industrien von entscheidender Bedeutung ist.
Trotz seiner enormen industriellen Größe steht China vor einer Heliumknappheit: Über 95 % des Heliumbedarfs sind auf Importe angewiesen. Das Land verfügt über geschätzte 1.1 Milliarden Kubikmeter Helium, von denen jedoch nur etwa 50 Millionen Kubikmeter förderbar sind – lediglich 0.1 % der globalen Reserven. Diese starke Abhängigkeit von Importen hat die Forschung nach Technologien vorangetrieben, die das in Erdgas enthaltene Helium mit geringer Konzentration (nur 0.1–0.3 %) nutzen und die Kosten drastisch senken können. Gelingt es, diese Ressourcen effizient zu nutzen, könnte China mehr als 40 % seines Heliumbedarfs im Inland decken.
Herausforderungen und Lösungen bei der Heliumgewinnung
Traditionelle Heliumgewinnungsmethoden, insbesondere die Tieftemperaturdestillation, bieten zwar den Vorteil der Gewinnung von hochreinem Helium, weisen aber auch erhebliche Nachteile auf. Die hohen Produktionskosten, der immense Investitionsaufwand für die Anlagen und der enorme Energieverbrauch schränken die Skalierbarkeit und Effizienz dieser Verfahren ein. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, konzentrieren sich Forscher auf die Kombination von Membrantrennverfahren mit Tieftemperaturdestillation und Druckwechseladsorption (PSA). Dieser hybride Ansatz reduziert den Energieverbrauch und die Anlagenkosten deutlich und ermöglicht gleichzeitig die Gewinnung von hochreinem Helium. Daher hat er sich zu einem wichtigen Forschungsgebiet entwickelt und wurde bereits in mehreren Projekten in ganz China erfolgreich angewendet.
Durchbrüche bei der heimischen Heliumproduktion
Sinopec erzielte einen bedeutenden Durchbruch mit der Inbetriebnahme des ersten Heliumreinigungsprojekts in Südwestchina. Die Anlage befindet sich in der LNG-Anlage Fuling, die von der Sinopec Chongqing Petroleum Branch betrieben wird. Die in diesem Projekt eingesetzte Heliumreinigungsmembran wurde vollständig in China entwickelt. Dies stellt einen wichtigen Erfolg bei der Überwindung der technologischen Hürden dar, die zuvor von den USA und Japan im Bereich polymerbasierter Heliumtrennmembranen dominiert wurden. Dieser Meilenstein ist ein wichtiger Schritt zur Verringerung der Abhängigkeit Chinas von ausländischen Heliumquellen.
Ein weiterer Durchbruch gelang dem Chinesischen Kohleforschungsinstitut in Zusammenarbeit mit der Yaojie Coal and Electricity Group. Ziel war die Entwicklung eines integrierten Verfahrens zur Heliumgewinnung aus Kohleflözgas. Dieses Verfahren – eine Kombination aus Druckwechseladsorption, Membrantrennverfahren und Raffination – erzielte wichtige technologische Fortschritte in der Heliumextraktion. Dem Team gelang es, die Herausforderungen der Entkarbonisierung und Heliumkonzentration in mehrkomponentigem Kohleflözgas zu bewältigen und Heliumreinheiten von über 99.9999 % zu erreichen. Die weltweit erste Anlage zur Gewinnung von hochreinem Helium aus Kohleflözgas mit einer Kapazität von 36,000 Kubikmetern pro Tag wurde in Betrieb genommen. Dies beweist einmal mehr, dass China die Heliumgewinnung aus Kohleflözgas vollständig beherrscht.
Innovative Anwendungen der Membrantechnologie bei der Heliumgewinnung
Das Chinesische Forschungsinstitut für Ingenieurtechnologie erzielte einen weiteren technologischen Erfolg, indem es sein Wasserstoff-Helium-Trenn- und Reinigungssystem in einem Projekt zur Heliumgewinnung aus Erdgas-Flashgas (BOG) in Luliang, Shanxi, einsetzte. Das System, das modernste BOG-Heliumgewinnungstechnologie mittels Druckwechseladsorption, Membrantrennverfahren und Adsorptionsdehydrierung integriert, setzt neue Maßstäbe für die Heliumgewinnung. Dieses innovative System trennt und reinigt nicht nur Helium mit einer Reinheit von über 99.999 %, sondern produziert auch hochreinen Wasserstoff mit vergleichbaren Reinheitsgraden.
Dieser neue Ansatz ermöglicht die Grobtrennung, Raffination und Reinigung von Helium bei Raumtemperatur und bietet dabei sowohl Effizienz als auch Flexibilität. Das Projekt demonstrierte erfolgreich die langfristige Betriebsstabilität bei niedrigen Temperaturen und bewies damit, dass diese Technologien nicht nur realisierbar, sondern auch skalierbar für den industriellen Einsatz sind.
Die Zukunft der Heliumgewinnung in China
Da China eine größere Unabhängigkeit bei der Beschaffung strategischer Rohstoffe anstrebt, werden Durchbrüche in der Membrantrennungstechnologie zur Heliumgewinnung eine entscheidende Rolle spielen. Durch die Integration von Membransystemen mit anderen fortschrittlichen Verfahren wie der Tieftemperaturdestillation und der Druckwechseladsorption hat China bereits bedeutende Fortschritte bei der Reduzierung seiner Importabhängigkeit erzielt. Diese Technologien bergen das Potenzial, Chinas Heliumversorgungskette grundlegend zu verändern und dem Land zu ermöglichen, einen erheblichen Teil seines Inlandsbedarfs an Helium aus eigenen Erdgasreserven zu decken.
In einer Zeit, in der Helium für Spitzenindustrien – von der Luft- und Raumfahrt über das Quantencomputing bis hin zur sauberen Energie – immer wichtiger wird, stellt Chinas Fortschritt bei der Heliumgewinnung einen bedeutenden Schritt nicht nur für die eigene Industriestrategie, sondern auch für die globale Hightech-Landschaft dar. Da die Nachfrage nach diesem „goldenen Gas“ weiter steigt, könnte die Kombination aus heimischer Innovation, fortschrittlichen Gewinnungstechniken und strategischer Weitsicht China zu einem zukünftigen Marktführer auf dem globalen Heliummarkt machen.
