國(guó)產(chǎn)“膜”出手 10億噸廢水變清水

無(wú)數(shù)個(gè)直徑為25納米的過(guò)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(chǎn)車間，親眼看見(jiàn)了一款神奇的“膜”。

今年年初，南京工業(yè)大學(xué)國(guó)家特種分離膜工程技術(shù)研究中心崔朝亮教授主持完成的“數(shù)字化智能膜法污水處理成套裝備與工程化應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲2023年中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果獎(jiǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)。而這一項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化后的兩個(gè)拳頭產(chǎn)品——高抗污染超濾膜和膜生物反應(yīng)器正在這里進(jìn)行批量生產(chǎn)。

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(duì)鋼鐵、農(nóng)化、石化等行業(yè)產(chǎn)生的成分復(fù)雜的廢水，傳統(tǒng)污水處理技術(shù)難以滿足環(huán)保要求。作為當(dāng)前世界先進(jìn)的水處理技術(shù)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(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

和傳統(tǒng)意義上的“膜”不同，南工大團(tuán)隊(duì)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(shí)際都遍布著無(wú)數(shù)直徑為25納米的過(guò)濾小孔。污水透過(guò)過(guò)濾孔后，污染物會(huì)被截留在管壁外，而過(guò)濾后的水則會(huì)經(jīng)由纖維絲的中空部分被收集起來(lái)。

25納米，即2.5厘米的百萬(wàn)分之一，這樣細(xì)密的小孔正是超濾膜處理污水的關(guān)鍵?！斑@些過(guò)濾孔不是‘打’上去的，而是在特定的溶液中一次性自動(dòng)生成的?！鄙a(chǎn)線上，PVDF膜原料溶液經(jīng)由紡絲機(jī)上的模具形成中空纖維狀，在凝固浴中凝結(jié)固定為固體狀態(tài)的膜;與此同時(shí)，膜壁上的過(guò)濾孔也在一瞬間形成;為了“洗”去膜絲上的殘留雜質(zhì)，傳送裝置會(huì)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(huì)如紡線般被纏繞成卷。

“長(zhǎng)期以來(lái)，高端超濾膜技術(shù)被陶氏、蘇伊士等跨國(guó)巨頭壟斷，而這項(xiàng)技術(shù)遲遲無(wú)法被國(guó)人攻克的難點(diǎn)在于對(duì)膜的孔徑和表面性質(zhì)的精準(zhǔn)調(diào)控?！贝蕹粮嬖V記者，通過(guò)理論和實(shí)踐的反復(fù)驗(yàn)證，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)25納米孔徑的超濾膜對(duì)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(chǎn)品90%的過(guò)濾孔徑為25納米，剩余10%的孔徑會(huì)比25納米略大或略小一些，孔徑尺寸的大小搭配和精準(zhǔn)控制可以最大化攔截污染物，應(yīng)對(duì)復(fù)雜污水處理情況?！?/p>

針對(duì)一些廢水水質(zhì)復(fù)雜、沒(méi)有回用要求的企業(yè)，團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新研發(fā)了膜生物反應(yīng)器，使過(guò)濾后的水符合相關(guān)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，可排入河流或湖泊中。水處理的強(qiáng)度要求不同，也決定了兩種膜在結(jié)構(gòu)上的差異。崔朝亮表示：“超濾膜為均質(zhì)膜，纖維絲外徑約1.3毫米，而膜生物反應(yīng)器纖維絲帶內(nèi)襯，外直徑約為2.1毫米，要粗近一倍?？紤]到污泥累積問(wèn)題，我們將膜生物反應(yīng)器上的中空纖維膜絲排列得更為松散，方便在使用過(guò)程中定期對(duì)膜進(jìn)行暴氣，‘吹’掉淤積的污泥。此外，我們?cè)谀ど锓磻?yīng)器每一根纖維管內(nèi)再增加一層高強(qiáng)度的編織管，防止因暴氣而造成的管壁斷裂，從而延長(zhǎng)使用壽命?！睋?jù)了解，此款自主研發(fā)的膜生物反應(yīng)器打破國(guó)外壟斷，目前已在中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司獲得應(yīng)用，污水處理規(guī)模約為1萬(wàn)噸/日。

“2014年底習(xí)近平總書(shū)記在江蘇視察時(shí)，聽(tīng)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(bào)，囑咐‘多開(kāi)展這樣的科研攻關(guān)’?！贝蕹帘硎?，10年來(lái)，膜科學(xué)團(tuán)隊(duì)一直牢記殷殷囑托，瞄準(zhǔn)科技前沿，“頂天”做科研;面向經(jīng)濟(jì)發(fā)展，“立地”服務(wù)社會(huì)。

據(jù)悉，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的高抗污染PVDF超濾膜制備技術(shù)已在南京久盈膜科技有限公司建成200萬(wàn)平方米/年的規(guī)?；a(chǎn)線，相關(guān)超濾膜產(chǎn)品在江蘇久吾高科技股份有限公司、南京工大膜應(yīng)用技術(shù)研究所有限公司等推廣應(yīng)用了幾百個(gè)工程案例，均表現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，累計(jì)廢水處理量超過(guò)10億噸。

越來(lái)越多的膜產(chǎn)品從“書(shū)架”走向“貨架”，這也更激勵(lì)團(tuán)隊(duì)繼續(xù)深入開(kāi)展相關(guān)基礎(chǔ)研究和原始創(chuàng)新工作。“目前我們正致力于拓展膜技術(shù)的應(yīng)用邊界。事實(shí)上，幾乎所有需要分離的地方都可以運(yùn)用到膜技術(shù)。”崔朝亮以各行各業(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(huì)對(duì)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(shù)則不需要排放蒸汽，更節(jié)能，符合國(guó)家‘雙碳’戰(zhàn)略要求?！?/p>

不只如此，崔朝亮團(tuán)隊(duì)近年來(lái)還嘗試開(kāi)發(fā)了氣血交換膜，應(yīng)用于ECMO(人工膜肺)，這是目前膜領(lǐng)域最前沿的技術(shù)之一，此前一直被3M公司壟斷?！皯?yīng)用在ECMO上的膜絲外徑約0.4毫米，過(guò)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(jī)器上代替人肺泡的功能。在使用過(guò)程中，我們要確保血漿絕對(duì)不能透過(guò)去。”崔朝亮說(shuō)，目前團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的ECMO用中空纖維氣血交換膜技術(shù)已進(jìn)入中試規(guī)模生產(chǎn)階段，PMP中空纖維絲性能達(dá)到國(guó)際同類商品標(biāo)準(zhǔn)，在強(qiáng)度等指標(biāo)上超過(guò)了進(jìn)口產(chǎn)品?！捌诖诓痪玫膶?lái)可以真正投入量產(chǎn)，將膜技術(shù)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致?！?/p>

記者 謝詩(shī)涵