正渗透技术成水处理领域投资新热点

2011-8-09 09:09 来源: 科学时报
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  水资源的相对匮乏和水质恶化已经严重影响到人类的生活和健康。未来的和平与发展也将与净水及淡水的获得息息相关。因此,如何低成本地实现水净化和脱盐成为世界各国关注的重要科技问题。正渗透技术正是在这一背景下应运而生。

  7月25日~30日,国际膜会议在荷兰阿姆斯特丹举行。刚参加完此次会议回国的中科院上海高等研究院膜实验室研究员何涛告诉《科学时报》记者,在此次大会上,正渗透技术是各国专家最感兴趣、讨论最多的议题。

最前沿的水处理技术

  “正渗透技术是目前国际上最前沿的脱盐和水净化技术。”在接受《科学时报》记者采访时,何涛表示。

  正渗透是相对于反渗透而提出的。反渗透的原理是:对海水或污水施加高压,使水分子通过一层膜渗透出来,而盐分和其他杂质则留在膜的另一边。反渗透的问题在于能耗太高,并且海水淡化后产生的浓盐水直接排放对环境有影响。

  正渗透技术的原理是:在一层膜的两边放置两种不同浓度的溶液,因为水的特性,水分子会自然穿过这层膜,从浓度低的一侧向浓度高的一侧移动。

  何涛说:“与反渗透相比,正渗透技术具有得天独厚的优势:能耗低,不需外界的压力即可实现分离过程;材料本身亲水,可以有效防止膜污染;回收率高,零排放,无污染。”

  据美国国家航空航天局网站报道,7月20日返航的“亚特兰蒂斯”号航天飞机在宇宙空间的最后一次飞行中,顺利完成所携带的两项实验任务,其中之一即是在微重力环境下使用正渗透技术获得饮用水。

  当未来的太空探险者在宇宙深空探险时,获取淡水的唯一办法是在飞船内部实现水的循环利用。正渗透技术能够把飞船上的污水、尿液等转化成富含水合物和营养的饮用水,保证宇航员的淡水需求。

  对此,美国国家航空航天局埃姆斯研究中心科学家迈克尔·弗林的解释是:“正渗透是一个类似将人体肠道中的水吸收到血液或植物根部从土壤中吸收水分的过程。这一技术通过半透膜实现水的自然扩散。半透膜作为一道屏障,允许小分子通过,比如水,同时阻截盐、糖、淀粉、蛋白质等较大分子,及病毒、细菌和寄生虫等。”

  何涛表示,正渗透是目前唯一能够为深空探索提供淡水来源的技术手段,在将来我国的载人航天项目中,该技术将大有用武之地。

更低的能耗

  何涛告诉《科学时报》记者,正渗透技术在国际水处理领域可谓“热点中的热点”。目前科学家们研发的核心是寻找更为合适的驱动液和渗透膜,技术领先的国家是美国和英国。

  2004年,美国耶鲁大学梅纳赫切姆·艾利米勒的研究小组在汲取液的研究上获得进展。该小组使用一种基于碳酸氢铵的汲取液,可以很好地吸引水分子通过薄膜,然后加热溶液至40摄氏度,盐分会挥发,剩下的就是纯净的淡水,挥发的气体可回收后再利用。研究小组称,该方法的能耗仅是目前海水淡化工厂的20%。

  正渗透技术面临的另一个挑战是找到合适的薄膜。美国《海水淡化道报》的编辑汤姆·派克拉茨认为:“这是正渗透技术面临的主要难题。”

  这种膜必须满足三个条件:一是只让水分子通过,而将盐分等杂质阻挡在膜的另一边;二是必须尽量薄,以便让海水与汲取液“亲密接触”,保持高渗透压;三是需要足够强韧,能够抵御汲取液的侵蚀。

  据《先进材料》报道,新加坡南洋理工大学膜技术中心最近研发出一种新的纳米复合薄膜,具有很高的孔隙率,厚度也很薄,有利于高产出水量和降低能耗,也能够抵御碳酸氢铵汲取液的碱性。

  该中心主任托尼·费恩表示,这种薄膜有望使海水淡化工厂的能耗降低至少30%,生产过程简单,大型海水淡化设施可按需进行组装。

  英国现代水公司也宣称解决了正渗透膜问题,并成功应用正渗透装置来淡化海水,工厂能耗比传统海水淡化技术低30%。

  何涛告诉《科学时报》记者,我国正渗透技术的研究起步较晚,2009年中国工程院院士徐南平、高从堦带领的团队得到了国家重大基础研究“973”项目的支持,何涛即是团队中正渗透项目的主要成员之一。

新投资热点

  中国工程院院士、国家海洋局杭州水处理技术开发中心膜与膜过程实验室主任高从堦告诉《科学时报》记者,正渗透技术为水资源和环境问题提供了低能耗、高效率的解决方法,是一种实用性很强的环境友好型技术。其应用范围已经包括海水淡化、水净化、废水处理、食品、医药、能源等领域。

  在医药领域,利用正向渗透技术制造的渗透泵能够实现药物剂量的精确释放、靶向输送和剂量控制。食品加工应用正渗透保存食品(水果、肉类等)已很普遍,正向渗透浓缩饮料和流质食物很好地保留了食品本来的色、香、味和营养价值,深受人们喜爱。

  高从堦表示,正渗透技术在能源领域也有巨大的市场潜力,它可以利用河流入海口地区海水与河水之间的渗透压差来发电,欧洲国家已经把目光瞄准了这个市场。

  在这一领域处于国际领先地位的是挪威。2008年,挪威国家能源集团在布斯克吕德郡建设了世界首个海洋渗透压发电厂,工程中使用了2000平方米的正渗透膜。预计到2015年,发电厂将成熟到可以将其电力正常入网的状态。

  高从堦告诉《科学时报》记者,对于像我国这样能源紧张的国家来说,渗透压发电是理想的选择。挪威的经验可以作为我国将来发展渗透压发电的借鉴。

  国际大型的水处理公司也纷纷致力于正渗透技术的商业化应用。

  目前最好的商业化正渗透膜是美国水化技术创新公司的支撑型高强度膜,该公司成立于1987年,是公认的正渗透技术的先行者。水化技术创新公司在2004年推出一款基于正渗透原理的便携式水过滤器。在这种过滤器里,正渗透膜被封入小型密封塑料包,包中还含有由糖、香料、饮料粉末等组成的可食用汲取液。把这种膜包浸入脏水,水在渗透压作用下扩散进入膜包,稀释的汲取溶液就是可饮用的水溶液。这一过程不需要外加能源,特别适用于野外救生和军事应用。

  英国现代水公司已经将该公司的正渗透技术应用于一座示范工厂和另一座正规的海水淡化工厂。

  对正渗透技术的未来,何涛非常乐观。“未来5~10年,正渗透技术在水处理、能源等领域的中试即可完成,将展现出广阔的应用前景,很可能成为继反渗透之后水处理领域新的投资热点。”

  高从堦也表示,正渗透技术具备非常好的潜力,今后应着重攻克技术难题,促进新一代水处理工艺的出现,推动正渗透技术的广泛应用。

  正渗透是目前唯一能够为深空探索提供淡水来源的技术手段,在将来我国的载人航天项目中,该技术将大有用武之地。

科技投资:目光应当更长远

  我国的海水淡化主要采用反渗透技术。各大投行的投资指南、风险评估报告无一例外地将反渗透技术作为投资热点,争先恐后将资金投放到在建的和筹建的各个基于反渗透技术的海水淡化工程上。

  然而,业内专家指出,反渗透技术的能耗从一开始的生产一吨水耗费八九度电,降低到现在的生产一吨水耗费四度电,已经没有太大的发展空间了。要想在能耗上进一步降低成本,未来只能寄希望于新的技术。正渗透技术相对于反渗透技术在这方面具有得天独厚的优势,并且不会带来环境污染,很可能在将来取代反渗透,成为更优越的海水淡化技术。

  发达国家早已把目光瞄准了正渗透技术的市场。中科院上海高等研究院膜实验室研究员何涛告诉记者,美国的水化技术创新公司、英国的现代水公司等已经有正渗透技术的商业化应用。而美国的水化技术创新公司更是抢占了市场先机,其他国家使用的正渗透膜均为该公司的产品。

  在7月30日结束的荷兰国际膜会议上,何涛的研究小组在渗透膜、汲取液方面的成果引起了参会的某国际大型膜技术公司的关注,目前双方正商谈合作事宜,该公司很可能投入资金支持研发。

  记者不禁感慨,我国的企业界什么时候能够有这样的敏感性与超前的眼光?

  必须承认,产业和科研不一样,产业往往滞后于科研,常常要等某一项技术发展成熟之后,才会进行大量投资,使之商业化。对于投资者来说,这样做的好处是不用承担高风险。

  然而,也正因为如此,企业会失去在一个领域占据领军地位的先机,今后也只能扮演被动地复制他人技术的角色。

  事实告诉我们,不论是一个企业还是一个国家,失去了先机就只能受制于人,只能处于世界经济链条的下游。