9月25日，中國工程院院士侯立安在“2020中國新材料資本技術大會”上發表了題為《新型膜分離材料助力水環境質量的持續改善》的演講。

 

會議現場

 

“綠水青山就是金山銀山”，在習近平總書記的“兩山”理論指導下，經過15年的發展，我國的水環境質量有了明顯的改善。今年全國兩會期間，生態環境部部長黃潤秋又再次強調了，在樹立生態環境保護的戰略定力方面，生態環境部門要做到三個堅定不動搖。

 

綠色發展和可持續理念的日益普及，對環保工程用膜材料提出了更高的性能要求，既要節能高效，又要具備通量高、壽命長、抗污染性能強等優點。侯立安院士對此持積極態度，他表示：“材料學的發展極大地促進了膜材料的進步，而新型膜技術符合我國‘清潔生產、節能減排’的政策要求，對推行國家政策具有助力作用。”

 

 

進入快速成長期 新材料入場方有新突破

 

分離膜技術被看作是21世紀最有價值的標志性成果之一，是解決全球面臨的能源危機、環境危機等重大問題的關鍵技術手段，

 

在經歷了初步發展、初成規模兩個階段后，我國膜產業的發展已進入快速成長期，反滲透、超濾、微濾等膜技術在能源電力、有色冶金、海水淡化、給水處理、污水回用及醫藥食品等領域的工程應用規模迅速擴大。

 

有關數據表明，2011年至2018年期間，我國膜產業年平均增長速度保持在24%以上。僅2018年，我國整個膜產業市場規模就達到1900億元，預計到2024年，產值將接近3600億元。

 

膜材料產業的一片繁榮有賴下游應用領域的緊密需求，水環境治理就是其中的一大應用領域。

 

水資源開發、達標排放、再生水回用、應急處置是傳統膜技術的主要應用領域。此外，凈化飲用水、海水淡化、中水回收同樣是膜技術重要的應用舞臺。

 

傳統高分子分離膜雖然種類豐富、處理對象多樣、應用范圍廣泛，目前發展較為迅速，但應用于水環境處理仍有兩大瓶頸亟需突破。

 

一是隨著企業現代化生產隊過濾的要求越來越高，常規膜材料無法有效解決高溫、高壓和腐蝕環境中的過濾技術難題，很多工業、企業因此遭遇發展瓶頸。

 

二是在應用過程中，膜的透過性和選擇性兩個關鍵性能的提高一直存在此長彼消的“蹺蹺板效應”。同時，若長期應用，不僅會縮短膜的使用壽命影響膜的分離性能，增加運行成本，而且易發生濃差極化和膜污染。

 

新材料、新技術涌現 三大挑戰待破解

 

一代材料成就一代產業，科技發展迅速，新材料、新技術不斷涌現，提高膜產業的創新意識和創新能力，利用現代科技解決膜產業面臨的瓶頸問題是膜產業發展的突破口。

 

侯立安院士認為“新型膜材料是當前膜技術發展的關鍵”，基于石墨烯、金屬有機框架材料、有機共價框架材料、碳納米管、分子篩、類水滑石等新型分離膜能夠構建含納米通道的超薄分離層，展現出遠超過傳統聚合物膜的滲透性能，有望突破滲透性和選擇性之間的限制效應。應開發選擇性高、透過性好、耐污染性強的新型水處理膜材料。

 

他進一步表示：“基于聚合物材料、無機材料、復合材料與納米材料等不同材料體系的新型膜結構與功能設計是當前的一個研究熱點，也是膜分離技術進一步深入研究與應用開發的關鍵。”

 

膜技術方面，創新多工藝耦合、適用于非常規環境的新型膜分離技術是當前膜科學研究的追求，要加速膜化學反應器、振動膜、正滲透、膜法-電化學耦合、光化學氧化-膜法等新型工藝的開發。

 

當然，新材料、新技術的研發過程中不免遇到挑戰，“分離機制、生物安全性、高效集成是新膜技術發展面臨的主要挑戰，”侯立安院士分析道。

 

鼓勵膜技術創新 助推水環境質量改善

 

迎難而上是科研工作者的本色，唯有不斷突破技術瓶頸，方能助力綜合國力的提升。

 

我國膜技術研究起步較晚，民族品牌膜產品的影響力有待提高，更應加大對膜技術研究的投入，鼓勵技術創新，促進膜科學不斷進步。

 

水通道蛋白、石墨烯、碳納米管等國外科學家已憑其摘得大獎的技術，我國科學家也已靠著對于科研的探索精神，實現技術突破，逐漸轉化為落地的產品，但在通透量、耐污染、機理性等方面的研究仍有提升空間，有機共價框架膜、金屬有機框架膜等新型膜材料的研究亦是如此。

 

侯立安院士以圖靈斑圖結構分離膜為例，指出膜材料性能升級的路線，他提出：“基于圖靈‘反應-擴散’控制理論，改進傳統界面聚合制膜方法，獲得表面具有斑圖結構的分離膜，提高分離膜的有效滲透面積，從而可以提高膜的滲透性能。”

 

新型膜工藝是侯立安院士反復強調要升級的另一項內容，他指出我國正滲透、膜過濾耦合高級氧化等工藝的技術水平還需要加強。

 

同時，侯立安院士還呼吁要加強對納米材料生態安全性的研究。而在這方面，美國早已經動起來了，從2005年開始，每年在納米技術對環境、健康與安全領域的投資，占總投資額的比例從2005年的不足3%提升至2017年的7%，總投資額度已超過10億美元。

 

除了要加強材料和技術方面的研究與利用，侯立安院士認為，我國在利用新型膜材料助推水環境質量改善的過程中，強化膜分離機理研究、加強新型膜工藝的優化與集成、提升膜過程的動力保障、完善膜技術相關的法規標準、重視膜過程中的廢物處置、面向未來建設新型“智慧水廠”等都是不容忽視的。

 

尤其是當前世界已進入大數據時代，基于大數據的綜合利用和全膜法組合工藝技術的突破，開發前瞻性的“智慧水廠”，有助于提升水資源利用效率和安全保障水平。而且“智慧水廠”可以實現水廠膜處理工藝靈活化，管理智能化、水質多級化等目標，能夠成為真正與社會融合、互利共生的城市基礎設施，助力城市水安全保障。

 

對于如何從膜材料入手加強生態環境保護一事，侯立安院士總結道：“發揮新型膜技術在環境質量改善中的功能應從科研投入、材料開發、技術創新、工藝研發、法規標準等方面入手，促進環境質量改善。”