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(shù)大會”上發(fā)表了題為《新型膜分離材料助力水環(huán)境質(zhì)量的持續(xù)改善》的演講。

會議現(xiàn)場

“綠水青山就是金山銀山”，在習(xí)近平總書記的“兩山”理論指導(dǎo)下，經(jīng)過15年的發(fā)展，我國的水環(huán)境質(zhì)量有了明顯的改善。今年全國兩會期間，生態(tài)環(huán)境部部長黃潤秋又再次強(qiáng)調(diào)了，在樹立生態(tài)環(huán)境保護(hù)的戰(zhàn)略定力方面，生態(tài)環(huán)境部門要做到三個堅定不動搖。

綠色發(fā)展和可持續(xù)理念的日益普及，對環(huán)保工程用膜材料提出了更高的性能要求，既要節(jié)能高效，又要具備通量高、壽命長、抗污染性能強(qiáng)等優(yōu)點。侯立安院士對此持積極態(tài)度，他表示：“材料學(xué)的發(fā)展極大地促進(jìn)了膜材料的進(jìn)步，而新型膜技術(shù)符合我國‘清潔生產(chǎn)、節(jié)能減排’的政策要求，對推行國家政策具有助力作用。”

進(jìn)入快速成長期 新材料入場方有新突破

分離膜技術(shù)被看作是21世紀(jì)最有價值的標(biāo)志性成果之一，是解決全球面臨的能源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)等重大問題的關(guān)鍵技術(shù)手段，

在經(jīng)歷了初步發(fā)展、初成規(guī)模兩個階段后，我國膜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已進(jìn)入快速成長期，反滲透、超濾、微濾等膜技術(shù)在能源電力、有色冶金、海水淡化、給水處理、污水回用及醫(yī)藥食品等領(lǐng)域的工程應(yīng)用規(guī)模迅速擴(kuò)大。

有關(guān)數(shù)據(jù)表明，2011年至2018年期間，我國膜產(chǎn)業(yè)年平均增長速度保持在24%以上。僅2018年，我國整個膜產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模就達(dá)到1900億元，預(yù)計到2024年，產(chǎn)值將接近3600億元。

膜材料產(chǎn)業(yè)的一片繁榮有賴下游應(yīng)用領(lǐng)域的緊密需求，水環(huán)境治理就是其中的一大應(yīng)用領(lǐng)域。

水資源開發(fā)、達(dá)標(biāo)排放、再生水回用、應(yīng)急處置是傳統(tǒng)膜技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。此外，凈化飲用水、海水淡化、中水回收同樣是膜技術(shù)重要的應(yīng)用舞臺。

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

一是隨著企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)隊過濾的要求越來越高，常規(guī)膜材料無法有效解決高溫、高壓和腐蝕環(huán)境中的過濾技術(shù)難題，很多工業(yè)、企業(yè)因此遭遇發(fā)展瓶頸。

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

新材料、新技術(shù)涌現(xiàn) 三大挑戰(zhàn)待破解

一代材料成就一代產(chǎn)業(yè)，科技發(fā)展迅速，新材料、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，提高膜產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，利用現(xiàn)代科技解決膜產(chǎn)業(yè)面臨的瓶頸問題是膜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的突破口。

侯立安院士認(rèn)為“新型膜材料是當(dāng)前膜技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵”，基于石墨烯、金屬有機(jī)框架材料、有機(jī)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(gòu)建含納米通道的超薄分離層，展現(xiàn)出遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)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(yīng)。應(yīng)開發(fā)選擇性高、透過性好、耐污染性強(qiáng)的新型水處理膜材料。

他進(jìn)一步表示：“基于聚合物材料、無機(jī)材料、復(fù)合材料與納米材料等不同材料體系的新型膜結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計是當(dāng)前的一個研究熱點，也是膜分離技術(shù)進(jìn)一步深入研究與應(yīng)用開發(fā)的關(guān)鍵。”

膜技術(shù)方面，創(chuàng)新多工藝耦合、適用于非常規(guī)環(huán)境的新型膜分離技術(shù)是當(dāng)前膜科學(xué)研究的追求，要加速膜化學(xué)反應(yīng)器、振動膜、正滲透、膜法-電化學(xué)耦合、光化學(xué)氧化-膜法等新型工藝的開發(fā)。

當(dāng)然，新材料、新技術(shù)的研發(fā)過程中不免遇到挑戰(zhàn)，“分離機(jī)制、生物安全性、高效集成是新膜技術(shù)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)，”侯立安院士分析道。

鼓勵膜技術(shù)創(chuàng)新 助推水環(huán)境質(zhì)量改善

迎難而上是科研工作者的本色，唯有不斷突破技術(shù)瓶頸，方能助力綜合國力的提升。

我國膜技術(shù)研究起步較晚，民族品牌膜產(chǎn)品的影響力有待提高，更應(yīng)加大對膜技術(shù)研究的投入，鼓勵技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)膜科學(xué)不斷進(jìn)步。

水通道蛋白、石墨烯、碳納米管等國外科學(xué)家已憑其摘得大獎的技術(shù)，我國科學(xué)家也已靠著對于科研的探索精神，實現(xiàn)技術(shù)突破，逐漸轉(zhuǎn)化為落地的產(chǎn)品，但在通透量、耐污染、機(jī)理性等方面的研究仍有提升空間，有機(jī)共價框架膜、金屬有機(jī)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(jié)構(gòu)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(yīng)-擴(kuò)散’控制理論，改進(jìn)傳統(tǒng)界面聚合制膜方法，獲得表面具有斑圖結(jié)構(gòu)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(fù)強(qiáng)調(diào)要升級的另一項內(nèi)容，他指出我國正滲透、膜過濾耦合高級氧化等工藝的技術(shù)水平還需要加強(qiáng)。

同時，侯立安院士還呼吁要加強(qiáng)對納米材料生態(tài)安全性的研究。而在這方面，美國早已經(jīng)動起來了，從2005年開始，每年在納米技術(shù)對環(huán)境、健康與安全領(lǐng)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(qiáng)材料和技術(shù)方面的研究與利用，侯立安院士認(rèn)為，我國在利用新型膜材料助推水環(huán)境質(zhì)量改善的過程中，強(qiáng)化膜分離機(jī)理研究、加強(qiáng)新型膜工藝的優(yōu)化與集成、提升膜過程的動力保障、完善膜技術(shù)相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、重視膜過程中的廢物處置、面向未來建設(shè)新型“智慧水廠”等都是不容忽視的。

尤其是當(dāng)前世界已進(jìn)入大數(shù)據(jù)時代，基于大數(shù)據(jù)的綜合利用和全膜法組合工藝技術(shù)的突破，開發(fā)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(xiàn)水廠膜處理工藝靈活化，管理智能化、水質(zhì)多級化等目標(biāo)，能夠成為真正與社會融合、互利共生的城市基礎(chǔ)設(shè)施，助力城市水安全保障。

對于如何從膜材料入手加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)一事，侯立安院士總結(jié)道：“發(fā)揮新型膜技術(shù)在環(huán)境質(zhì)量改善中的功能應(yīng)從科研投入、材料開發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新、工藝研發(fā)、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)等方面入手，促進(jìn)環(huán)境質(zhì)量改善。”