Момент истины для керамических мембран
Повторяется ли история? Керамические мембраны существуют уже давно, но несколько факторов, такие как более высокая цена и отсутствие отраслевых запросов, замедлили их потенциальное продвижение в коммунальный сектор.
Тем не менее, недавние разработки в области керамических мембран привели к тому, что некоторые лидеры отрасли провели сравнение с ростом и возможным доминированием полимерных мембран.
Возникает вопрос: это момент истины для керамических мембран?
Дежавю
Прежде чем мы сможем заглянуть в будущее, нам нужно обратиться к истории не только керамических мембран, но и на другую разновидность материала, полимерную мембрану.
Полимерные мембраны были предпочтительным выбором для коммунального сектора в течение последних трех десятилетий, с тех пор как они в середине 90-х годов впервые были применены для очистки питьевой воды.
Однако, не обошлось и без скептиков, как объясняет профессор Грэм Пирс, известный эксперт по мембранам и директор Membrane Consultancy Associates:
"Полимерная промышленность взяла мир штурмом [в середине 1990-х годов]. Когда полимерные мембраны начали использоваться для очистки питьевой воды, было всего несколько продуктов-лидеров. Скептики заговорили о том, долго ли прослужат полимерные материалы и будут ли пригодны для ремонта".
В конечном счете, эти скептики сосредоточились бы на проблемах долговечности после того, как у небольшого числа заводов возникли проблемы с их целостностью.
"У них были худшие опасения, связанные с проблемами целостности", - добавляет профессор Пирс. "Обычно я даю цифру для 85 процентов полимерных материалов, которые выдерживают нагрузки и не выходят из строя".
"Остальные 15 процентов состоят из пяти процентов, которые можно считать умеренно годными, еще у пяти процентов бывают операционные недостатки, а последние пять имеют серьезные проблемы на объектах".
В настоящее время сектор испытывает чувство дежавю с керамическими мембранами. Скептицизм вокруг керамики существовал, когда они применялись для очистки питьевой воды и использовались в коммунальном хозяйстве.
На этот раз скептицизм связан с восприятием более высокой стоимости керамических мембран. Цена уменьшится?
Идеальные условия для развития
"Наступили идеальные условия для развития", - оптимистично говорит профессор Пирс.
Было несколько препятствий, мешающих керамическим мембранам занять нишу в сфере водоснабжения, от более высоких цен по сравнению с полимерными мембранами до препятствий со стороны коммунальных служб, не желающих быть первыми в их использовании.
Ранее на коммунальном рынке керамика уступала полимерным мембранам. Однако, из-за природы и неоспоримых преимуществ керамики, происходит выравнивание спроса и предложения.
"Цены выравниваются”, - добавляет профессор Пирс. “Более высокая цена керамики имеет тенденцию балансировать с более высоким уровнем производительности. Я думаю, что керамические мембраны находятся на одном игровом поле по сравнению с полимерными мембранами".
Керамические мембраны, за их более высокую цену, предлагают коммунальным службам большую долговечность, чем полимерные мембраны, и способны обрабатывать значительно более высокие объемы воды. Ранее керамические мембраны не рассматривались водоканалами в качестве основной опции. Сегодня мы начинаем видеть, что они рассматриваются и даже в некоторых случаях предлагаются, как единственный вариант.
Например, еще в 2020 году британская водоканальная компания South West Water's Mayflower Water Treatment Works в Робороу, Плимут, понизил рейтинг своего завода, чтобы использовать суспендированный ионный обмен, встроенную коагуляцию и микрофильтрацию керамических мембран.
Дочерняя компания заявила, что при новом методе будет производиться больше воды, более эффективно и с меньшими затратами, чем при традиционной технологии.
Новые процессы очистки в Mayflower были разработаны и внедрены голландской компанией по водным технологиям, PWNT, до ее приобретения Nijhuis Saur Industries. "Потребовалось какое-то время, чтобы коммерческое состояние компании действительно утвердилось, и чтобы люди обрели уверенность в успехе нового дела", - добавляет профессор Пирс.
"Например, вам нужно больше одного надежного поставщика питьевой воды. У вас должно быть два. В противном случае индустрия питьевой воды в Великобритании и где-либо еще не примет предложение от одного поставщика в традиционной технологии производства питьевой воды. Водная промышленность требует критическую массу керамических поставщиков".
Вступление во владение керамической дочерней компанией
Aquatech недавно рассказал о приобретении PWNT компанией Nijhuis Saur Industries и ее стремлении поднять рынок керамики.
Первоначально созданная голландской компанией PWN, компания PWNT считается лидером в области керамических мембран, особенно в демонстрации того, как они могут применяться в масштабе для коммунальных масштабов использования питьевой воды.
PWNT разработала способ снижения цены керамических мембран путем группировки большого количества керамических мембранных модулей, сложенных вместе и размещенных в одном большом корпусе.
Говоря о приобретении, профессор Пирс сказал: "Я думаю, что Nijhuis будет действовать агрессивно, она действительно продвинет керамику вперед".
Компания Nijhuis разработала процесс фильтрации под брендом CeraMac®, основанный на соединении до 90 керамических мембранных элементов в один корпус, что снижает цену и занимаемую площадь.
PWNT говорит, что CeraMac® энергоэффективен, требует небольшого обслуживания и способен проводить обратную промывку при давлении пять атмосфер, что требует всего нескольких секунд простоя.
Этот уникальный метод позволил PWNT продавать CeraMac®, как целостную систему, и снизить цену, в отличие от отдельных модулей.
"Если вы посмотрите на инновации в питьевой воде, у нас есть много технологий, чтобы выйти на этот рынок, а также с нашими возможностями, которыми мы обладаем в водной сфере, мы можем вывести решения на рынок намного быстрее”, - сказал Менно Холтерман, генеральный директор Nijhuis Saur Industries.
Под рукодводством Холтермана приобретение PWNT и ее технологии керамических мембран позволит компании усилить свои позиции на рынке питьевой воды.
Это не единственный метод, используемый в секторе, и самоотверженность PWNT привела к появлению на рынке других компаний, производящих керамические мембраны.
Сегментированный подход
Компания Nanostone Water, созданная в 2012 году для разработки и коммерциализации технологии керамической ультрафильтрации, выпустила свое первое решение для керамических мембран для коммерческой продажи в 2017 году.
В отличие от PWNT, Nanostone Water решила не группировать все свои мембраны в один корпус, а вместо этого расположить свои модули на стойке, чтобы обеспечить большую гибкость и модернизировать существующие вертикальные полимерные системы микрофильтрации/нанофильтрации (MF/UF).
Керамические мембраны Nanostone Water представляют собой керамические листы, сконфигурированные в запатентованную сегментированную монолитную конструкцию.
"Прямо сейчас впервые керамика рассматривается с самого начала”.
Эта водная компания заявляет, что ее конструкция обеспечивает неограниченный поток пермеата из керамического материала по всей длине модуля, устраняя ограничения потока и ненужные перепады давления.
Каждый монолит интегрирован в корпус, чтобы обеспечить то, что, по словам Nanostone Water, является простым в использовании и не подверженным коррозии модулем.
Благодаря давлению обратной промывки до семи бар модуль может быть дооснащен всеми основными стойками, а также развернут в широком диапазоне новых конструкций систем.
"Мы находимся в идеальных условиях", - сказал Гилберт Галяард, главный технолог Nanostone Water.
"Существует устаревшее оборудование, особенно в Великобритании, которое необходимо заменить, или оборудование, которое создает проблемы в использовании.
"Впервые, керамика рассматривается с самого начала, тогда как раньше нас преследовали неудачные попытки ее использования", - продолжил Галяард.
Решение перейти на модульную систему сводится к тому, как Nanostone Water хочет позиционироваться и закрепиться на рынке питьевой воды.
"Никто не хочет быть первым", - говорит Майкл Шоу, директор по управлению продуктами Nanostone Water.
"Возможность модернизации была выбором дизайнеров, который мы сделали для водоканалов, чтобы облегчить использование нашей технологии. Но никто не хочет быть первым, и это тяжелая работа".
"Наш дизайн позволил нам быстро выйти на крупные коммерческие предприятия, которые сегодня испытывают трудности, заменить модули и немедленно решить их проблемы".
"Теперь, когда мы набрали обороты, мы применяем наше решение к проектам по опреснению морской воды, ссылаясь на то, что мы сделали в поверхностных водах и в промышленности. Предварительная обработка опреснением сопряжена с большими проблемами, для решения которых керамическая технология идеально подходит", - сказал Шоу.
Позиционирование себя в качестве оптимального решения для очистки воды без дорогостоящей реконструкции производства будет привлекательным для многих водоканалов.
Хорошим примером этого является модернизация санитарного района Рапид - Вэлли в Южной Дакоте, где муниципалитет не смог обеспечить свое сообщество необходимыми тремя миллионами галлонов в день.
Компания Nanostone Water смогла модернизировать две стойки своих керамических мембран, чтобы помочь восстановить водоснабжение муниципалитета.
3D печать Separonics
Когда-нибудь слышали о Separonics™?
Скорее всего, нет, поскольку этот термин не был широко известен до того момента, когда создатели Evove, ранее G2O Water Technologies, придумали определение для новейшего игрока на рынке керамики. По определению, сепароник - это преобразующая мембрана, которая обладает способностью перерабатывать воду и извлекать ценные ресурсы по сниженной цене.
Однако именно с помощью Separonics британская технологическая компания стремится отделиться от предубеждений, окружающих керамические мембраны.
"Мембрана воспринимается на рынке как нечто, что может работать, но это вызывает проблемы. Вам нужны большие заводы, чтобы экономика работала", - говорит Крис Вайрес, генеральный директор Evove.
"Они [мембраны] загрязняются. Вам нужны специалисты. Мембраны служат всего несколько лет, если вам повезет, иногда меньше. Керамика стоит много денег, энергии и химикатов. Таково восприятие данного материала на рынке".
Separonics защищает мембраны. Компания, переубеждая скептиков, обращается к технологии 3D-печати, которая никогда не подводит водный сектор.
Это новое поколение Separonics позиционируется как "точно спроектированная, напечатанная на 3D-принтере технология фильтрации и разделения" и "физический барьер, который будет разработан на заказ для любого применения или клиента".
В этом контексте 3D-печать не относится к маленькому устройству, которое стоит на столе и которому требуется два дня, чтобы напечатать свисток. Это будет промышленная 3D-печать в больших масштабах.
"Мы сможем печатать в полном масштабе, шириной восемь дюймов, длиной 1,8 метра, любой длины, это не имеет большого значения", — говорит Уайрес.
"Все, что вы делаете, это укладываете слои поверх слоев. Так что вам просто нужна высота здания. Мы сможем печатать до 31-38 сантиметров, это не имеет значения. Такой вид печати модульный и масштабируемый".
"Смысл в том, что мы сможем печатать элементы и структуры, которые не могут быть созданы обычным производством, а также использовать высокопроизводительные вычисления и искусственный интеллект для оптимизации этих конструкций для конкретных применений".
В конце 2021 года Evove подписала соглашение о совместной разработке с Meta Additive с целью создания передового решения для аддитивного производства для 3D-печати своих керамических сепараторных мембран, выпуск которых запланирован на 2023 год.
Этот проект, по словам Evove, выведет данное решение на рынок и создаст предпосылки для промышленных масштабов.
Благодаря такому подходу компания считает, что может снизить стоимость производства керамических мембран, как минимум на 60 процентов.
Плоские листы
Плоские листовые керамические мембраны существуют с 1993 года, но в 2016 году была основана немецкая компания Cerafiltec для изучения вопроса, как далеко можно продвинуть эту технологию.
Керамическая плоская листовая мембрана Cerafiltec работает с фильтрующим активным слоем на внешней стороне мембраны. Взвешенные твердые частицы отбрасываются на поверхность мембраны и образуют слои в виде осадка, в то время как чистая вода проходит через корпус мембраны и собирается на обеих торцевых крышках.
Вода с каждой отдельной пластины собирается внутри корпуса модуля и транспортируется в коллектор по четырем каналам фильтрованной воды, встроенным в обе стороны корпуса модуля.
Эти фильтровальные башни погружены в резервуар, известный как система фильтрации, который содержит питательную воду, при этом все башни соединены сверху одной коллекторной трубой.
Отфильтрованная вода транспортируется через коллектор каждой башни наверх, а оттуда по общей коллекторной трубе в резервуар снаружи, где подключается фильтрующий насос для перекачки чистой воды в резервуар для фильтрованной воды.
Плоские листы - это другой подход к керамике, отличный от того, что делает PWNT, и он обладает другими преимуществами. Керамические плиты дешевле по сравнению с традиционными керамическими технологиями, что делает их привлекательным предложением для коммунальных служб, которые не уверены, стоит ли делать решительный шаг.
Ранее плоские листы не рассматривались как вариант для питьевой воды, но вместо этого обрели успех в предварительной обработке обратного осмоса морской воды в опреснительной промышленности.
Приливы меняются
Мы начали это техническое погружение с вопроса: повторяется ли история?
Глядя на текущий рынок, новых игроков и новые технологии, которые используются и изучаются, можно увидеть много общего между принятием полимерных и керамических мембран для муниципальной очистки.
От скептицизма по поводу того, стоит ли керамика дополнительных затрат, до опасений по поводу того, соответствуют ли они задачам коммунального рынка, неизбежно, критики все еще будут существовать.
Тем не менее, поскольку все больше и больше коммунальных предприятий рассматривают возможность использования керамики, прогресс налицо. Все, что еще предстоит увидеть, это то, кто совершит скачок и станет следующим лидером в области производства керамических мембран.
