1 環(huán)保行業(yè)發(fā)展概況

　　1.1 環(huán)保行業(yè)簡介

　　環(huán)保產(chǎn)業(yè)是指在國民經(jīng)濟結(jié)構中，以防治環(huán)境污染、改善生態(tài)環(huán)境、保護自 然資源為目的而進行的技術產(chǎn)品開發(fā)、商業(yè)流通、資源利用、信息服務、工程承 包等活動的總稱。美國將之稱為“環(huán)境產(chǎn)業(yè)”，日本稱為“生態(tài)產(chǎn)業(yè)”或“生態(tài) 商務”。

　　進入21 世紀，全球環(huán)保產(chǎn)業(yè)開始進入快速發(fā)展階段，成為支撐國家經(jīng)濟效 益的重要力量，并正在成為許多國家改革和調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構的重要目標。美國、歐 盟以及日本的環(huán)保產(chǎn)業(yè)由于發(fā)展較早，為全球環(huán)保市場的主要力量。

　　1.2 市場格局

　　目前歐美等發(fā)達國家的環(huán)保產(chǎn)業(yè)由于起步較早，已經(jīng)基本趨于飽和，而像中 國、印度等新型大國由于環(huán)保產(chǎn)業(yè)起步較晚，目前環(huán)保產(chǎn)業(yè)正處于飛速上升期， 每年環(huán)保投入以及環(huán)保產(chǎn)業(yè)規(guī)模都在不斷擴大。發(fā)達國家正積極布局亞洲等地區(qū) 的環(huán)保市場。目前，美、日、德三國在亞洲環(huán)保市場的大氣污染控制、廢水處理、 固體廢棄物處理等領域已占據(jù)較大份額。

　　2 石墨烯在環(huán)保行業(yè)的應用

　　石墨烯是最堅硬的材料之一，且具有巨大的比表面積和極佳的導電性等眾多 優(yōu)異性能，使其在環(huán)保領域具有非常廣闊的應用前景及巨大的潛在市場價值。

　　2.1 海水淡化

　　中國科學技術大學吳恒安教授與諾獎得主英國曼徹斯特大學安德烈?海姆教 授課題組合作研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯薄膜具有精密快速篩選離子的性能。研究表 明，水環(huán)境中的氧化石墨烯薄膜與水相互作用后，形成約0.9 納米寬的毛細通道， 允許直徑小于0.9 納米的離子或分子快速通過，而直徑大于0.9 納米的離子被完 全阻隔。該篩選效應不僅對離子尺寸要求非常精準，而且比傳統(tǒng)的濃度擴散快上 千倍，如圖2-1 所示。研究人員稱，如果通過機械手段進一步壓縮薄膜中的毛細 通道尺寸，將能高效率地過濾海水中的鹽分。這意味著制造一個在幾分鐘內(nèi)即可 將一杯海水淡化成飲用水的過濾裝置。

　　2.2 污水處理

　　隨著人口數(shù)量的幾何增長、現(xiàn)代工業(yè)廢水的亂排亂放、城市垃圾、 農(nóng)村農(nóng) 藥噴灑等等，造成本來已是極少的淡水資源加劇短缺，無法為人所用。每年大量 的廢污水給我國的環(huán)保行業(yè)帶來巨大的壓力。

　　水污染情況不斷加劇，使得污水處理受到空前的關注。人們在積極尋找污水 處理與利用的方法?；诨钚悦娣e大、強度高、化學穩(wěn)定性好、可修飾性強以及 導電性好等優(yōu)點，石墨烯不僅可很好的吸附水中的有機溶劑、重金屬等污染物， 還可作為催化劑載體，催化水中污染物的降解，因而作為污水處理材料被人們廣 泛研究。

　　2015 年12 月，曾任英國劍橋大學化學系生物物理化學實驗室副主任，現(xiàn)任

　　江蘇師范大學化學化工學院的李海濤教授利用石墨烯的高吸附性，柔韌性，超薄 以及環(huán)保綠色的優(yōu)勢，將其作為一種過濾材料的核心，選取粒徑為500 nm 的石 墨烯碎片，通過一種特殊的物理技術，把石墨烯碎片送入活性炭的細孔并附椎在 內(nèi)表面上，達到增加過濾材料的比表面積，改善過濾效果，研制出一種功能性材 料——石墨烯炭分子篩。

　　該材料具有超高的吸附性，且輕薄、穩(wěn)定、耐熱、比表面積大、對人體無害。 與同等重量的活性炭相比其吸附性能提高20 倍。同時，這種石墨烯炭分子篩新 材料還可用于空氣質(zhì)量改善和汽車換氣系統(tǒng)濾膜的開發(fā)，對環(huán)境問題具有很好的 解決促進作用;這種石墨烯炭分子篩材料可以合成一種復合膜，可有效去除飲用 水中的抗生素。這為水處理特別是飲用水的凈化處理提供了一種高效濾材。

　　雖然吸附可以去除水中的污染物，然而這一技術僅能吸附污染物，而真要達 到凈化水還需要對吸附后的材料進行進一步處理。全面沉降或去除污染物可以通 過催化降解的方法。催化治污成本低、效率高，具有非常好的應用前景。而石墨烯巨大的比表面積和表面豐富的官能團賦予其優(yōu)異的特性，使其作為催化劑載體等方面具有較大的潛力，石墨烯催化劑還可以殺死污水中的細菌。

　　2.3 大氣治理

　　吸收被認為是一種最合理有效的過濾空氣的方法。到目前為止很多碳材料 如，活性炭、碳納米管等已經(jīng)被用來凈化廢氣。由于具有巨大的比表面積，石墨 烯在大氣治理方面也表現(xiàn)出巨大的應用潛力。人們利用石墨烯巨大的比表面積對 大氣中的氨、NO2、H2S 等有害氣體進行吸收，對大氣中的CO2、O2、N2 進行純 化。此外，利用石墨烯作為催化劑直接可將污染氣體轉(zhuǎn)化成易于收集或無毒的氣 體，還可將其用于高敏感性分子傳感器，對大氣污染物進行及時高效檢測。

　　2.4 節(jié)能環(huán)保

　　石墨烯具有高導熱性，導熱系數(shù)高達5300 W/m?K，這一特性使石墨烯在 熱工裝備及余熱利用中具有廣泛的應用前景。利用石墨烯材料，結(jié)合現(xiàn)有的工藝 和設備，可提升技術方案和改進或新建設備，實現(xiàn)能耗的大幅下降，幫助傳統(tǒng)產(chǎn) 業(yè)滿足越來越嚴格的環(huán)保法規(guī)，獲得生存空間。

　　2015 年，英國曼徹斯特大學的國家級石墨烯研究所研制出了全新的石墨烯 燈泡，擁有比LED 燈泡更堅固的結(jié)構和更低廉的價格。在不少國家，由于LED 燈泡的環(huán)保節(jié)能及使用壽命長的特性，已經(jīng)有法律規(guī)定來確保LED 燈泡迅速取 代傳統(tǒng)白熾燈泡。而就在白熾燈被LED 燈泡逐步取代的時候，這種新型石墨烯 燈泡即將為照明技術帶來又一次革新，有望于當年面市并開始銷售。這種新型石 墨烯燈泡仍基于LED 技術研發(fā)，通過石墨烯大大增強其性能和使用壽命，而且 在價格上有希望比傳統(tǒng)LED 燈泡更便宜。這種創(chuàng)新技術的石墨烯燈泡為可調(diào)光 燈泡，燈泡內(nèi)有燈絲形狀的LED 燈，且LED 燈外層會涂上石墨烯，石墨烯的導電能力強，可讓燈泡使用時間拉長，并減少10%的能源消耗。

　　3 石墨烯在環(huán)保領域的專利分析

　　我國石墨烯在環(huán)保領域?qū)＠饕性谒幚眍I域，中科院寧波材料所發(fā)布 的“2015 石墨烯技術專利分析報告”中對國內(nèi)石墨烯水處理專利進行了詳細分 析。從石墨烯在水處理領域的專利構成來看(見圖3-1)，石墨烯在水處理方面 的專利申請共 375 件，主要集中在催化降解(專利申請量 169 件，占總申請量 的45%);吸附(專利申請量 156 件，占總申請量的 42%);過濾(專利申請量36 件，占總申請量的9%);脫鹽(專利申請量14 件，占總申請量的 4%)。

　　結(jié)合表 3-1，可以看出，水處理領域的重要申請人集中于高校，專利申請以有機物吸附、重金屬吸附、過濾分離等技術方案為主方面;中科院和企業(yè)也有少量專利申請，主要是催化降解、吸附等。

　　4 石墨烯在環(huán)保行業(yè)中的市場分析

　　4.1 石墨烯在環(huán)保行業(yè)應用時間節(jié)點

　　石墨烯在環(huán)保領域的應用將主要集中在海水淡化和節(jié)能環(huán)保領域，而在大氣 治理、污水處理領域前景還不是非常明確。依據(jù)旗艦計劃路線圖中石墨烯在各領 域的路線圖預測，石墨烯節(jié)能改進產(chǎn)品已經(jīng)問世，在3-5 年內(nèi)石墨烯海水淡化膜 技術將取得突破。在5-10 年內(nèi)石墨烯海水淡化膜將逐步走入市場并成功應用于 海水淡化。

　　4.2 市場前景預測分析

　　雖然石墨烯在大氣污染的治理與防治、水污染處理、土壤污染治理、節(jié)能環(huán) 保以及海水淡化等領域的研究成果豐碩，但由于其高昂的價格，在相當長的一段 時間內(nèi)，多領域的應用仍將停留在研究階段。但石墨烯在海水淡化以及節(jié)能環(huán)保 領域?qū)⒕哂蟹浅４髴脙r值及潛在市場空間。

　　Aqua Membranes 數(shù)據(jù)顯示，2010-2015 年海水淡化膜市場以每年15%的規(guī)模 增長，而若2015-2020 年市場還按如此速度增長，則到2020 年淡化膜市場將超 過18.4 億美元。而由于石墨烯膜在海水淡化的獨特優(yōu)勢，石墨烯淡化膜技術有 望在2020 年實現(xiàn)突破，一旦進入市場，市場占有率將快速增加，而隨著石墨烯海水淡化膜成本的降低以及海水淡化市場的擴大，石墨烯海水淡化膜將在2030年占據(jù)超過50%淡化膜市場，屆時石墨烯海水淡化膜市場將有望達到37 億美元 市場規(guī)模。

　　2010-2020 年期間，全球節(jié)能環(huán)保投資將達1.999 萬億美元。石墨烯的光電、 熱電轉(zhuǎn)換效率極高，研究表明，石墨烯可作為熱水器的加熱器件在減小體積的同 時能大大提高能量利用率以及加熱時間，若該項研究能順利實現(xiàn)量產(chǎn)，僅這加熱 器件這一領域全球就將擁有數(shù)億美元的市場空間。此外，石墨烯LED 燈將很快 面向市場，由于其節(jié)能效果理想，壽命長，未來必將占據(jù)巨大的市場份額。

　　據(jù)石墨烯旗艦計劃路線圖預測，石墨烯節(jié)能改進劑將率先實現(xiàn)商業(yè)化，而石 墨烯潤滑油則是節(jié)能改進劑的主要產(chǎn)品。而石墨烯作為添加劑用于潤滑油在延長 潤滑油使用壽命的同時降低車輛的油耗。截至2015 年底，我國已經(jīng)有多家企業(yè) 開始從事石墨烯潤滑油的研究，并有多家有相應產(chǎn)品問世。預計2016 年，僅中 國石墨烯潤滑油的市場規(guī)模將達到4 億元，到2020 年將到達50 億元的市場規(guī)模。