正滲透技術(shù)成水處理領(lǐng)域投資新熱點(diǎn)
水資源的相對(duì)匱乏和水質(zhì)惡化已經(jīng)嚴(yán)重影響到人類的生活和健康。未來(lái)的和平與發(fā)展也將與凈水及淡水的獲得息息相關(guān)。因此，如何低成本地實(shí)現(xiàn)水凈化和脫鹽成為世界各國(guó)關(guān)注的重要科技問(wèn)題。正滲透技術(shù)正是在這一背景下應(yīng)運(yùn)而生。
7月25日~30日，膜會(huì)議在荷蘭阿姆斯特丹舉行。剛參加完此次會(huì)議回國(guó)的中科院上海高等研究院膜實(shí)驗(yàn)室研究員何濤告訴《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者，在此次大會(huì)上，正滲透技術(shù)是各國(guó)專家比較感興趣、討論比較多的議題。
比較前沿的水處理技術(shù)
"正滲透技術(shù)是目前上比較前沿的脫鹽和水凈化技術(shù)。"在接受《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者采訪時(shí)，何濤表示。
正滲透是相對(duì)于反滲透而提出的。反滲透的原理是：對(duì)海水或污水施加高壓，使水分子通過(guò)一層膜滲透出來(lái)，而鹽分和其他雜質(zhì)則留在膜的另一邊。反滲透的問(wèn)題在于能耗太高，并且海水淡化后產(chǎn)生的濃鹽水直接排放對(duì)環(huán)境有影響。
正滲透技術(shù)的原理是：在一層膜的兩邊放置兩種不同濃度的溶液，因?yàn)樗奶匦�，水分子�?huì)自然穿過(guò)這層膜，從濃度低的一側(cè)向濃度高的一側(cè)移動(dòng)。
何濤說(shuō)："與反滲透相比，正滲透技術(shù)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)：能耗低，不需外界的壓力即可實(shí)現(xiàn)分離過(guò)程;材料本身親水，可以有效防止膜污染;回收率高，零排放，無(wú)污染。"
據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局網(wǎng)站報(bào)道，7月20日返航的"亞特蘭蒂斯"號(hào)航天飛機(jī)在宇宙空間的比較后一次飛行中，順利完成所攜帶的兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，其中之一即是在微重力環(huán)境下使用正滲透技術(shù)獲得飲用水。
當(dāng)未來(lái)的太空探險(xiǎn)者在宇宙深空探險(xiǎn)時(shí)，獲取淡水的唯一辦法是在飛船內(nèi)部實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)利用。正滲透技術(shù)能夠把飛船上的污水、尿液等轉(zhuǎn)化成富含水合物和營(yíng)養(yǎng)的飲用水，保證宇航員的淡水需求。
對(duì)此，美國(guó)國(guó)家航空航天局埃姆斯研究中心科學(xué)家邁克爾·弗林的解釋是："正滲透是一個(gè)類似將人體腸道中的水吸收到血液或植物根部從土壤中吸收水分的過(guò)程。這一技術(shù)通過(guò)半透膜實(shí)現(xiàn)水的自然擴(kuò)散。半透膜作為一道屏障，允許小分子通過(guò)，比如水，同時(shí)阻截鹽、糖、淀粉、蛋白質(zhì)等較大分子，及病毒、細(xì)菌和寄生蟲(chóng)等。"
何濤表示，正滲透是目前唯一能夠?yàn)樯羁仗剿魈峁┑畞?lái)源的技術(shù)手段，在將來(lái)我國(guó)的載人航天項(xiàng)目中，該技術(shù)將大有用武之地。
更低的能耗
何濤告訴《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者，正滲透技術(shù)在水處理領(lǐng)域可謂"熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)"。目前科學(xué)家們研發(fā)的核心是尋找更為合適的驅(qū)動(dòng)液和滲透膜，技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家是美國(guó)和英國(guó)。
2004年，美國(guó)耶魯大學(xué)梅納赫切姆·艾利米勒的研究小組在汲取液的研究上獲得進(jìn)展。該小組使用一種基于碳酸氫銨的汲取液，可以很好地吸引水分子通過(guò)薄膜，然后加熱溶液至40攝氏度，鹽分會(huì)揮發(fā)，剩下的就是純凈的淡水，揮發(fā)的氣體可回收后再利用。研究小組稱，該方法的能耗僅是目前海水淡化工廠的20%。
正滲透技術(shù)面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是找到合適的薄膜。美國(guó)《海水淡化道報(bào)》的編輯湯姆·派克拉茨認(rèn)為："這是正滲透技術(shù)面臨的主要難題。"
這種膜必須滿足三個(gè)條件：一是只讓水分子通過(guò)，而將鹽分等雜質(zhì)阻擋在膜的另一邊;二是必須盡量薄，以便讓海水與汲取液"親密接觸"，保持高滲透壓;三是需要足夠強(qiáng)韌，能夠抵御汲取液的侵蝕。
據(jù)《先進(jìn)材料》報(bào)道，新加坡南洋理工大學(xué)膜技術(shù)中心比較近研發(fā)出一種新的納米復(fù)合薄膜，具有很高的孔隙率，厚度也很薄，有利于高產(chǎn)出水量和降低能耗，也能夠抵御碳酸氫銨汲取液的堿性。
該中心主任托尼·費(fèi)恩表示，這種薄膜有望使海水淡化工廠的能耗降低至少30%，生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單，大型海水淡化設(shè)施可按需進(jìn)行組裝。
英國(guó)現(xiàn)代水公司也宣稱解決了正滲透膜問(wèn)題，并成功應(yīng)用正滲透裝置來(lái)淡化海水，工廠能耗比傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)低30%。
何濤告訴《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者，我國(guó)正滲透技術(shù)的研究起步較晚，2009年中國(guó)工程院院士徐南平、高從堦帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)得到了國(guó)家重大基礎(chǔ)研究"973"項(xiàng)目的支持，何濤即是團(tuán)隊(duì)中正滲透項(xiàng)目的主要成員之一。
新投資熱點(diǎn)
中國(guó)工程院院士、國(guó)家海洋局杭州水處理技術(shù)開(kāi)發(fā)中心膜與膜過(guò)程實(shí)驗(yàn)室主任高從堦告訴《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者，正滲透技術(shù)為水資源和環(huán)境問(wèn)題提供了低能耗、高效率的解決方法，是一種實(shí)用性很強(qiáng)的環(huán)境友好型技術(shù)。其應(yīng)用范圍已經(jīng)包括海水淡化、水凈化、廢水處理、食品、醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域。
在醫(yī)藥領(lǐng)域，利用正向滲透技術(shù)制造的滲透泵能夠?qū)崿F(xiàn)藥物劑量的精確釋放、靶向輸送和劑量控制。食品加工應(yīng)用正滲透保存食品(水果、肉類等)已很普遍，正向滲透濃縮飲料和流質(zhì)食物很好地保留了食品本來(lái)的色、香、味和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，深受人們喜愛(ài)。
高從堦表示，正滲透技術(shù)在能源領(lǐng)域也有巨大的市場(chǎng)潛力，它可以利用河流入�？诘貐^(qū)海水與河水之間的滲透壓差來(lái)發(fā)電，歐洲國(guó)家已經(jīng)把目光瞄準(zhǔn)了這個(gè)市場(chǎng)。
在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的是挪威。2008年，挪威國(guó)家能源集團(tuán)在布斯克呂德郡建設(shè)了世界首個(gè)海洋滲透壓發(fā)電廠，工程中使用了2000平方米的正滲透膜。預(yù)計(jì)到2015年，發(fā)電廠將成熟到可以將其電力正常入網(wǎng)的狀態(tài)。
高從堦告訴《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者，對(duì)于像我國(guó)這樣能源緊張的國(guó)家來(lái)說(shuō)，滲透壓發(fā)電是理想的選擇。挪威的經(jīng)驗(yàn)可以作為我國(guó)將來(lái)發(fā)展?jié)B透壓發(fā)電的借鑒。
大型的水處理公司也紛紛致力于正滲透技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。
目前比較好的商業(yè)化正滲透膜是美國(guó)水化技術(shù)創(chuàng)新公司的支撐型高強(qiáng)度膜，該公司成立于1987年，是公認(rèn)的正滲透技術(shù)的先行者。水化技術(shù)創(chuàng)新公司在2004年推出一款基于正滲透原理的便攜式水過(guò)濾器。在這種過(guò)濾器里，正滲透膜被封入小型密封塑料包，包中還含有由糖、香料、飲料粉末等組成的可食用汲取液。把這種膜包浸入臟水，水在滲透壓作用下擴(kuò)散進(jìn)入膜包，稀釋的汲取溶液就是可飲用的水溶液。這一過(guò)程不需要外加能源，特別適用于野外救生和軍事應(yīng)用。
英國(guó)現(xiàn)代水公司已經(jīng)將該公司的正滲透技術(shù)應(yīng)用于一座示范工廠和另一座正規(guī)的海水淡化工廠。
對(duì)正滲透技術(shù)的未來(lái)，何濤非常樂(lè)觀。"未來(lái)5~10年，正滲透技術(shù)在水處理、能源等領(lǐng)域的中試即可完成，將展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，很可能成為繼反滲透之后水處理領(lǐng)域新的投資熱點(diǎn)。"
高從堦也表示，正滲透技術(shù)具備非常好的潛力，今后應(yīng)著重攻克技術(shù)難題，促進(jìn)新一代水處理工藝的出現(xiàn)，推動(dòng)正滲透技術(shù)的廣泛應(yīng)用。
正滲透是目前唯一能夠?yàn)樯羁仗剿魈峁┑畞?lái)源的技術(shù)手段，在將來(lái)我國(guó)的載人航天項(xiàng)目中，該技術(shù)將大有用武之地。
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