國產“膜”出手 10億噸廢水變清水

無數個直徑為25納米的過濾孔均勻分布在一根外徑1.3毫米的中空纖維膜絲管壁上——記者日前在南京久盈膜科技有限公司生產車間，親眼看見了一款神奇的“膜”。

今年年初，南京工業(yè)大學國家特種分離膜工程技術研究中心崔朝亮教授主持完成的“數字化智能膜法污水處理成套裝備與工程化應用”項目榮獲2023年中國產學研合作創(chuàng)新成果獎優(yōu)秀獎。而這一項目產業(yè)化后的兩個拳頭產品——高抗污染超濾膜和膜生物反應器正在這里進行批量生產。

隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，水環(huán)境污染的治理刻不容緩。針對鋼鐵、農化、石化等行業(yè)產生的成分復雜的廢水，傳統(tǒng)污水處理技術難以滿足環(huán)保要求。作為當前世界先進的水處理技術之一，高抗污染超濾膜可以有效分離水中的懸浮物、微生物、病毒等污染物，在工業(yè)污水處理、生活污水深度處理等領域的應用越來越廣泛。

和傳統(tǒng)意義上的“膜”不同，南工大團隊研發(fā)的超濾膜由一根根聚偏氟乙烯(PVDF)中空纖維膜絲規(guī)整排列組成。崔朝亮拿起一根中空纖維膜絲向記者介紹，盡管肉眼看不到，但每一根管壁上實際都遍布著無數直徑為25納米的過濾小孔。污水透過過濾孔后，污染物會被截留在管壁外，而過濾后的水則會經由纖維絲的中空部分被收集起來。

25納米，即2.5厘米的百萬分之一，這樣細密的小孔正是超濾膜處理污水的關鍵?！斑@些過濾孔不是‘打’上去的，而是在特定的溶液中一次性自動生成的?！鄙a線上，PVDF膜原料溶液經由紡絲機上的模具形成中空纖維狀，在凝固浴中凝結固定為固體狀態(tài)的膜;與此同時，膜壁上的過濾孔也在一瞬間形成;為了“洗”去膜絲上的殘留雜質，傳送裝置會將生成的膜絲傳送至不同的溶液池，“洗盡鉛華”后的PVDF膜絲最終會如紡線般被纏繞成卷。

“長期以來，高端超濾膜技術被陶氏、蘇伊士等跨國巨頭壟斷，而這項技術遲遲無法被國人攻克的難點在于對膜的孔徑和表面性質的精準調控?！贝蕹粮嬖V記者，通過理論和實踐的反復驗證，團隊發(fā)現25納米孔徑的超濾膜對污染物的分離精度比較高，且孔分布越均勻越不容易被污染物堵住?！拔覀儺a品90%的過濾孔徑為25納米，剩余10%的孔徑會比25納米略大或略小一些，孔徑尺寸的大小搭配和精準控制可以最大化攔截污染物，應對復雜污水處理情況。”

針對一些廢水水質復雜、沒有回用要求的企業(yè)，團隊還創(chuàng)新研發(fā)了膜生物反應器，使過濾后的水符合相關廢水排放標準，可排入河流或湖泊中。水處理的強度要求不同，也決定了兩種膜在結構上的差異。崔朝亮表示：“超濾膜為均質膜，纖維絲外徑約1.3毫米，而膜生物反應器纖維絲帶內襯，外直徑約為2.1毫米，要粗近一倍?？紤]到污泥累積問題，我們將膜生物反應器上的中空纖維膜絲排列得更為松散，方便在使用過程中定期對膜進行暴氣，‘吹’掉淤積的污泥。此外，我們在膜生物反應器每一根纖維管內再增加一層高強度的編織管，防止因暴氣而造成的管壁斷裂，從而延長使用壽命?！睋私猓丝钭灾餮邪l(fā)的膜生物反應器打破國外壟斷，目前已在中國石化上海石油化工股份有限公司獲得應用，污水處理規(guī)模約為1萬噸/日。

“2014年底習近平總書記在江蘇視察時，聽取了我校徐南平院士和邢衛(wèi)紅教授‘全球首套制漿造紙廢水零排放成套工藝’研發(fā)情況匯報，囑咐‘多開展這樣的科研攻關’?！贝蕹帘硎?，10年來，膜科學團隊一直牢記殷殷囑托，瞄準科技前沿，“頂天”做科研;面向經濟發(fā)展，“立地”服務社會。

據悉，團隊開發(fā)的高抗污染PVDF超濾膜制備技術已在南京久盈膜科技有限公司建成200萬平方米/年的規(guī)?；a線，相關超濾膜產品在江蘇久吾高科技股份有限公司、南京工大膜應用技術研究所有限公司等推廣應用了幾百個工程案例，均表現出良好的經濟與社會效益，累計廢水處理量超過10億噸。

越來越多的膜產品從“書架”走向“貨架”，這也更激勵團隊繼續(xù)深入開展相關基礎研究和原始創(chuàng)新工作?！澳壳拔覀冋铝τ谕卣鼓ぜ夹g的應用邊界。事實上，幾乎所有需要分離的地方都可以運用到膜技術?！贝蕹烈愿餍懈鳂I(yè)都在使用的鍋爐舉例，通常供熱鍋爐里使用的都是純水，如果純水里溶有氧氣、二氧化碳等氣體，則可能會對管路造成腐蝕，存在安全隱患?！皞鹘y(tǒng)的脫氣方式是用熱力脫氣，需要排放大量蒸汽，而使用膜法脫氣技術則不需要排放蒸汽，更節(jié)能，符合國家‘雙碳’戰(zhàn)略要求?！?/p>

不只如此，崔朝亮團隊近年來還嘗試開發(fā)了氣血交換膜，應用于ECMO(人工膜肺)，這是目前膜領域最前沿的技術之一，此前一直被3M公司壟斷?！皯迷贓CMO上的膜絲外徑約0.4毫米，過濾孔僅為幾納米。一根根的膜絲像織布一樣被編織成片，安裝在ECMO機器上代替人肺泡的功能。在使用過程中，我們要確保血漿絕對不能透過去?！贝蕹琳f，目前團隊自主研發(fā)的ECMO用中空纖維氣血交換膜技術已進入中試規(guī)模生產階段，PMP中空纖維絲性能達到國際同類商品標準，在強度等指標上超過了進口產品。“期待在不久的將來可以真正投入量產，將膜技術優(yōu)勢發(fā)揮到極致?！?/p>

記者 謝詩涵