一張神奇的膜

周勇 張璐

水是寶貴的資源。隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，水資源短缺愈發(fā)成為人們生活中不可忽視的一大問(wèn)題。作為人口大國(guó)，我國(guó)淡水資源短缺，改善水環(huán)境、保障水安全始終是關(guān)系我國(guó)國(guó)計(jì)民生的重大戰(zhàn)略問(wèn)題。

膜分離技術(shù)能有效地凈化水質(zhì)。膜很神奇，能區(qū)分出水分子和水中的污染物，這就好像在膜孔里面住著一種“分類精靈”。這種“精靈”非常精明，能完成我們力所不及的事情。假如一個(gè)容器被一張膜分成A，B兩部分，這種“精靈”就可以守在膜上的小孔處，按照自己的想法打開小孔放過(guò)水分子，或關(guān)閉小孔攔下污染物，這樣我們就在B中得到純凈的水分子，水中的污染物就留在了A中，如圖1所示。

現(xiàn)實(shí)中“精靈”是不存在的，水分子和污染物的大小、形狀或結(jié)構(gòu)不同，因此我們可以利用膜來(lái)區(qū)分它們，從而實(shí)現(xiàn)它們的分離。但是，我們要想讓“精靈”一直幫我們監(jiān)控區(qū)分水分子和污染物，就要給它提供食物，才能讓精靈持續(xù)工作。這種食物，就是對(duì)膜施加的壓力或輸入的能量。

目前，膜技術(shù)包括反滲透、納濾、超濾、微濾和電滲析等，已被廣泛應(yīng)用于非常規(guī)水源淡化或凈化領(lǐng)域，包括海水/苦咸水淡化、污水處理和資源化等。它的核心是高性能的分離膜，這一直是各國(guó)重點(diǎn)支持研究的戰(zhàn)略材料。膜在使用過(guò)程中容易被污染、氧化，使膜的使用效率和壽命降低，膜過(guò)程運(yùn)行成本增加，成為制約膜技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

浙江工業(yè)大學(xué)高從堦院士從事膜技術(shù)研究開發(fā)工作40多年，是我國(guó)分離膜的奠基人之一，引領(lǐng)了我國(guó)膜分離技術(shù)的發(fā)展?？梢哉f(shuō)，高從堦成功的科研之路，就是浙江省分離膜碩果紛呈的寫照。

高從堦院士圍繞膜分離性能與膜材料微結(jié)構(gòu)的關(guān)系、膜材料的微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理與控制方法、應(yīng)用過(guò)程中膜材料微結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律等3個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題開展研究，完善了面向不同應(yīng)用過(guò)程的膜材料設(shè)計(jì)與制備理論框架，在膜材料的基礎(chǔ)理論研究方面取得了重要突破，形成了一系列原創(chuàng)性的膜材料和專有制備技術(shù)，指導(dǎo)創(chuàng)建了我國(guó)膜材料設(shè)計(jì)與制備、膜組器制作的技術(shù)平臺(tái)，為我國(guó)開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能分離膜、組器及推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，并且極大地推動(dòng)了我國(guó)膜科學(xué)與技術(shù)這一新興學(xué)科的建設(shè)和發(fā)展以及跟化學(xué)工程與技術(shù)、高分子化學(xué)、海洋化學(xué)等一級(jí)學(xué)科的交叉研究。他的研究突破了以往研究的瓶頸，開創(chuàng)了膜科學(xué)研究領(lǐng)域的新天地，其成果主要有以下幾個(gè)方面：

反滲透 CTA 中空纖維膜與

組器的研制和應(yīng)用

1974年至1983年，高從堦院士帶領(lǐng)課題組成員成功解決了CTA原料處理和制膜配方，擠出機(jī)和中空纖維噴頭等關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)和加工，以及擠出工藝、流程、各段參數(shù)和過(guò)程設(shè)計(jì)與調(diào)控。在國(guó)內(nèi)最先研制成功反滲透CTA中空纖維膜及組器，并將其廣泛應(yīng)用于純水的制備和部分苦咸水淡化，使國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格下降30%以上。

反滲透復(fù)合膜與

組器的研制和應(yīng)用

在1986年開始的芳香族聚酰胺反滲透復(fù)合膜研究的基礎(chǔ)上，1991-1996年期間，他與課題組成員一起努力，在國(guó)內(nèi)最先建立了芳香族聚酰胺反滲透復(fù)合膜中試生產(chǎn)線。經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)完善，全面完成中試生產(chǎn)線各項(xiàng)任務(wù)，較全面地掌握了設(shè)備和工藝條件的各種參數(shù)。之后，他與美籍華人王道新先生合作，引進(jìn)關(guān)鍵設(shè)備，在國(guó)內(nèi)最先建成芳香族聚酰胺反滲透復(fù)合膜生產(chǎn)線，產(chǎn)品得到了較廣泛的推廣應(yīng)用。后來(lái)，國(guó)內(nèi)有關(guān)單位在此基礎(chǔ)上又成功研制了海水淡化膜組件，僅杭州水處理中心多年來(lái)年產(chǎn)值就達(dá)3億元，年經(jīng)濟(jì)效益數(shù)千萬(wàn)元。近幾年，在973項(xiàng)目支持下，高從堦又努力研制了基于納米技術(shù)改進(jìn)的更高性能的膜組件。

納濾膜的工程技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用

自1992年-1996年，高從堦院士課題組同上海染化8廠合作，經(jīng)過(guò)近半年的小試和中試，掌握了不同活性染料純化所要求的不同品種的納濾膜和純化工藝條件。最后用卷式納濾組件在國(guó)內(nèi)最先實(shí)現(xiàn)了活性染料的純化與濃縮的新工藝，提高了活性染料的品質(zhì)，擴(kuò)展了活性染料高檔次的應(yīng)用，并得到廣泛的擴(kuò)展和推廣應(yīng)用。

荷電膜的開發(fā)和應(yīng)用

在開展荷電膜的結(jié)構(gòu)和性能研究的基礎(chǔ)上，1987-1993年，高從堦院士的課題組同南京依維考汽車公司合作，在國(guó)內(nèi)最先展開用自行研制的復(fù)合 PSA 荷電膜在汽車陰極電泳漆超濾中的試驗(yàn)，之后實(shí)現(xiàn)了較廣泛的應(yīng)用。

離子交換膜和雙極膜的

開發(fā)與應(yīng)用

在以前離子交換膜研發(fā)的基礎(chǔ)上，高從堦課題組從2004年開始同中國(guó)科技大學(xué)合作，在國(guó)內(nèi)最先展開雙極膜的初步推廣應(yīng)用。近幾年，在863項(xiàng)目支持下，進(jìn)行了1、2價(jià)離子選擇、阻酸、耐堿等膜的研發(fā)，進(jìn)一步改進(jìn)和提高了雙極膜和相關(guān)離子交換膜的結(jié)構(gòu)和綜合性能，在分子篩清潔生產(chǎn)、有機(jī)酸制備等方面的應(yīng)用初見成效。

人工腎反滲透水處理（醫(yī)療用）裝置的開發(fā)與應(yīng)用

隨著醫(yī)療水平的提高，業(yè)界對(duì)醫(yī)療用水要求也更嚴(yán)格。自1990年起，高從堦院士與課題組成員一起努力，在分析國(guó)外人工腎反滲透水處理裝置基礎(chǔ)上，試制成功了專用高壓泵。該高壓泵選用合適的反滲透裝置，解決了預(yù)處理和后紫外消毒等問(wèn)題。經(jīng)浙江醫(yī)院等試驗(yàn)后已得到推廣應(yīng)用。