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　　我國在膜技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了多項創(chuàng)新，成為全球膜產(chǎn)業(yè)規(guī)模和市場規(guī)模最大的國家之一，但仍有很多膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的“膜”咒尚未打破。加快新型膜材料的開發(fā)是當前膜科學領(lǐng)域的研究難點和前沿問題，也是加快形成膜產(chǎn)業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力的關(guān)鍵。11月22日召開的2024水業(yè)可持續(xù)發(fā)展大會上，多位專家介紹了當前膜技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)的重點領(lǐng)域。

　　膜技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛

　　中國膜工業(yè)協(xié)會理事長鄭根江指出，膜技術(shù)是當前公認的最先進的分離技術(shù)之一。多年來，我國膜技術(shù)及產(chǎn)業(yè)取得了快速發(fā)展，初步形成了膜與膜材料、膜裝備、膜工程、膜配套設(shè)備和膜系統(tǒng)運維協(xié)同發(fā)展的產(chǎn)業(yè)鏈條。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2023年年底，我國涉膜企業(yè)達2500多家，實現(xiàn)膜工業(yè)總產(chǎn)值4384億元，連續(xù)多年保持12%的增長率，總產(chǎn)值約占全球總產(chǎn)量的30%。目前，中國已成為全球膜產(chǎn)業(yè)規(guī)模和市場規(guī)模最大的國家之一。

　　中國工程院院士侯立安表示，我國高度重視膜技術(shù)發(fā)展，長期將膜產(chǎn)業(yè)寫入國家戰(zhàn)略。目前，我國膜產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初步形成完備的工業(yè)體系，并逐步融入全球市場，進入規(guī)范、有序、快速發(fā)展的階段。

　　“膜技術(shù)的成熟與發(fā)展，為我國水資源開發(fā)利用、新能源等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)提供了產(chǎn)業(yè)支撐，特別在水處理領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。截至2024年，我國已建海水淡化工程150多個，產(chǎn)水規(guī)模235.7萬噸/日；已建規(guī)模型各類膜法工業(yè)廢水資源化工程700多個，年處理能力達75億立方米；各類膜法工業(yè)用水凈化工程上萬個，凈水能力達200多億立方米。膜技術(shù)已成為我國水處理的主流技術(shù)和水業(yè)發(fā)展的重要支撐。”鄭根江介紹說。

　　多項“膜”咒尚未打破

　　我國膜技術(shù)近年來實現(xiàn)了多項創(chuàng)新。

　　在理論研究層面，我國科學家將“圖靈理論”引入到聚酰胺分離膜形成過程的機理闡釋，提出利用單體擴散行為精準調(diào)控脫鹽納微結(jié)構(gòu)的新路徑；開展魚類表面抗黏附特性仿生研究，發(fā)現(xiàn)局部荷電平衡自由水合現(xiàn)象，提出膜表面荷電平衡抗污染機制。

　　在技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，我國企業(yè)攜先進技術(shù)進入半導體超純水制備賽道，目前已成為全球第三家、國內(nèi)唯一的芯片制造用超純水分離膜供應(yīng)方；浙江舟山已建成國內(nèi)單機規(guī)模最大海水淡化工程。

　　據(jù)杭州水處理首席顧問楊波介紹，國內(nèi)石化行業(yè)最大的膜法海水淡化工程——浙江某膜法海水淡化項目，整體產(chǎn)水量達日產(chǎn)25萬噸，已于2021年5月全面建成投入運行，整體工藝由海水一級預處理、海水二級預處理、海水反滲透淡化系統(tǒng)、淡水反滲透系統(tǒng)以及配套輔助系統(tǒng)組成。系統(tǒng)中的V型濾池、臥式機械過濾器、海水淡化單機規(guī)模都創(chuàng)造了國內(nèi)之最。該項目是“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目“面向規(guī)模化應(yīng)用的膜法海水淡化關(guān)鍵技術(shù)及裝備開發(fā)與示范”的示范工程，最終系統(tǒng)噸水成本接近3元，制水能耗和成本同比下降10%以上。

　　“但我們也不得不承認，我國膜技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在還有很多‘膜’咒尚未打破。”侯立安院士介紹說，在膜形成及服役過程機理方面，膜構(gòu)效關(guān)系的傳統(tǒng)認知有限，難以突破選擇性和滲透性的博弈效益，易消耗大量能源；在應(yīng)用環(huán)境方面，水處理工藝的水質(zhì)較為復雜，傳統(tǒng)膜材料無法有效解決極端環(huán)境中的過濾技術(shù)難題，高端水處理膜可控制備難，多領(lǐng)域應(yīng)用因此遭遇發(fā)展瓶頸；在使用壽命方面，長期使用不但會縮短膜的使用壽命，影響膜的分離性能，而且易發(fā)生濃差極化和膜污染，增加運行成本。此外，膜系統(tǒng)還存在減污降碳協(xié)同發(fā)展矛盾、分離過程伴生固廢處置等問題。

　　開發(fā)新型膜材是重點

　　侯立安院士表示，開發(fā)材料用料少、選擇性高、透過性好、耐污染性強的新型膜材料是當前膜科學領(lǐng)域的研究難點和前沿問題，也是加快形成膜業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力的關(guān)鍵。

　　當前，科學界正在研究的新型膜材料包括金屬有機共價框架材料、有機共價框架材料、石墨烯、碳納米管、分子篩和類水滑石等。“當然，除新型膜材料的開發(fā)外，新型成膜機理和分離機制也要同步進行研發(fā)。”侯立安院士強調(diào)。

　　具體看來，含納米顆粒的混合基質(zhì)膜、有機共價框架膜、吸附分離膜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)出遠超傳統(tǒng)聚合物膜對新污染物的分離性能。碳納米管、活性炭等碳納米材料可以活化過硫酸鹽，選擇性降解新污染，提高對污染物的去除效率。這些納米功能材料在膜分離、高級氧化、吸附等去除技術(shù)中的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對水中新污染物的高效去除，提升去除工藝的運行時間。

　　在增強膜抗污染能力上，從膜污染機理角度著手的兩性離子耐污染反滲透膜，可以減弱膜與污染物間的相互作用。這種膜以超支化聚乙酰亞胺與丙烯酸為原料構(gòu)建兩性離子結(jié)構(gòu)，對于帶正負電荷的污染物表現(xiàn)出優(yōu)異的耐污染性能，結(jié)構(gòu)層含有自由水合層也提高了膜通量和截留率。從殺菌抑菌角度入手的新型群體感應(yīng)抑制劑抗生物污染改性膜，則通過添加群體感應(yīng)抑制劑來阻斷細菌之間的自誘導，從而控制生物絮凝，具有高效、低毒、降低菌體耐藥性的特點，可降低膜表面微生物增殖和代謝組分。

　　鄭根江表示，我國膜產(chǎn)業(yè)正處在向高質(zhì)量發(fā)展邁進的關(guān)鍵時期，綠色化、低碳化、智能化是發(fā)展趨勢，信息技術(shù)、生物技術(shù)、材料技術(shù)以及先進制造技術(shù)等跨學科交叉、融合也將是未來的發(fā)展方向。

　　侯立安院士認為，針對高滲透性反滲透膜技術(shù)的應(yīng)用限制，需要重新設(shè)計模組件，但膜材料各種各樣，制膜研究的成本也有限。基于不同建模方法的膜材料性能預測輔以人工智能尋優(yōu)算法，有望成為識別具有潛力膜材料的有效方式。此外，在重視新型膜技術(shù)應(yīng)用的同時，也要加強濃縮水的處理，還要重視回用或綠色化處置廢棄膜組件，防止二次污染。