无数个直径为25纳米的过滤孔均匀分布在一根外径1.3毫米的中空纤维膜丝管壁上——记者日前在南京久盈膜科技有限公司生产车间，亲眼看见了一款神奇的“膜”。
今年年初，南京工业大学国家特种分离膜工程技术研究中心崔朝亮教授主持完成的“数字化智能膜法污水处理成套装备与工程化应用”项目荣获2023年中国产学研合作创新成果奖优秀奖。而这一项目产业化后的两个拳头产品——高抗污染超滤膜和膜生物反应器正在这个地方进行批量生产。
随着工业化和城市化的加快速度进行发展，水环境污染的治理刻不容缓。针对钢铁、农化、石化等行业产生的成分复杂的废水，传统污水处理技术难以满足环保要求。作为当前世界先进的水处理技术之一，高抗污染超滤膜可以有效分离水中的悬浮物、微生物、病毒等污染物，在工业污水处理、生活垃圾污水深度处理等领域的应用越来越广泛。
和传统意义上的“膜”不同，南工大团队研发的超滤膜由一根根聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维膜丝规整排列组成。崔朝亮拿起一根中空纤维膜丝向记者介绍，尽管肉眼看不到，但每一根管壁上实际都遍布着无数直径为25纳米的过滤小孔。污水透过过滤孔后，污染物会被截留在管壁外，而过滤后的水则会经由纤维丝的中空部分被收集起来。
25纳米，即2.5厘米的百万分之一，这样细密的小孔正是超滤膜处理污水的关键。“这些过滤孔不是‘打’上去的，而是在特定的溶液中一次性自动生成的。”生产线上，PVDF膜原料溶液经由纺丝机上的模具形成中空纤维状，在凝固浴中凝结固定为固体状态的膜；与此同时，膜壁上的过滤孔也在一瞬间形成；为了“洗”去膜丝上的残留杂质，传送装置会将生成的膜丝传送至不同的溶液池，“洗尽铅华”后的PVDF膜丝最终会如纺线般被缠绕成卷。
“长期以来，高端超滤膜技术被陶氏、苏伊士等跨国巨头垄断，而这项技术迟迟无法被国人攻克的难点在于对膜的孔径和表面性质的精准调控。”崔朝亮和记者说，通过理论和实践的反复验证，团队发现25纳米孔径的超滤膜对污染物的分离精度比较高，且孔分布越均匀越不容易被污染物堵住。“我们产品90%的过滤孔径为25纳米，剩余10%的孔径会比25纳米略大或略小一些，孔径尺寸的大小搭配和精准控制可以最大化拦截污染物，应对复杂污水处理情况。”
针对一些废水水质复杂、没有回用要求的企业，团队还创新研发了膜生物反应器，使过滤后的水符合有关废水排放标准，可排入河流或湖泊中。水处理的强度要求不同，也决定了两种膜在结构上的差异。崔朝亮表示：“超滤膜为均质膜，纤维丝外径约1.3毫米，而膜生物反应器纤维丝带内衬，外直径约为2.1毫米，要粗近一倍。考虑到污泥累积问题，我们将膜生物反应器上的中空纤维膜丝排列得更为松散，方便在使用的过程中定期对膜进行暴气，‘吹’掉淤积的污泥。此外，我们在膜生物反应器每一根纤维管内再增加一层高强度的编织管，防止因暴气而造成的管壁断裂，从而延长常规使用的寿命。”据了解，此款自主研发的膜生物反应器打破国外垄断，目前已在中国石化上海石油化工股份有限公司获得应用，污水处理规模约为1万吨/日。
“2014年底习在江苏视察时，听取了我校徐南平院士和邢卫红教授‘全球首套制浆造纸废水零排放成套工艺’研发情况汇报，嘱咐‘多开展这样的科研攻关’。”崔朝亮表示，10年来，膜科学团队一直牢记殷殷嘱托，瞄准科技前沿，“顶天”做科研；面向经济发展，“立地”服务社会。
据悉，团队开发的高抗污染PVDF超滤膜制备技术已在南京久盈膜科技有限公司建成200万平方米/年的规模化生产线，相关超滤膜产品在江苏久吾高科技股份有限公司、南京工大膜应用技术研究所有限公司等推广应用了几百个工程案例，均表现出良好的经济与社会效益，累计废水净化处理量超过10亿吨。
越来越多的膜产品从“书架”走向“货架”，这也更激励团队继续深入开展相关基础研究和原始创新工作。“目前我们正致力于拓展膜技术的应用边界。事实上，几乎所有需要分离的地方都能够应用到膜技术。”崔朝亮以各行各业都在使用的锅炉举例，通常供热锅炉里使用的都是纯水，如果纯水里溶有氧气、二氧化碳等气体，则可能会对管路造成腐蚀，存在安全风险隐患。“传统的脱气方式是用热力脱气，需要排放大量蒸汽，而使用膜法脱气技术则不需要排放蒸汽，更节能，符合国家‘双碳’战略要求。”
不只如此，崔朝亮团队近年来还尝试开发了气血交换膜，应用于ECMO（人工膜肺），这是目前膜领域最前沿的技术之一，此前一直被3M公司垄断。“应用在ECMO上的膜丝外径约0.4毫米，过滤孔仅为几纳米。一根根的膜丝像织布一样被编织成片，安装在ECMO机器上代替人肺泡的功能。在使用的过程中，我们要确保血浆一定不可以透过去。”崔朝亮说，目前团队自主研发的ECMO用中空纤维气血交换膜技术已进入中试规模生产阶段，PMP中空纤维丝性能达到国际同类商品标准，在强度等指标上超过了进口产品。“期待在不久的将来可以真正投入量产，将膜技术优势发挥到极致。”