用一張膜使污水變凈水

文/陳福民

1992年4月的一天，在南方的一次科技產(chǎn)品展銷會(huì)上，一位科技人員做了一個(gè)有趣的表演。他指著面前的一個(gè)筒狀容器說：“我現(xiàn)在打開這邊的龍頭，讓臟水從這一頭流進(jìn)去，再看中間有一個(gè)叫做‘膜’的東西，經(jīng)過它的過濾，就會(huì)出現(xiàn)‘奇跡’。”當(dāng)大家看到他打開另一頭的龍頭時(shí)，杯子里接到的竟然是清清“凈水”了。當(dāng)時(shí)在場(chǎng)的人都半信半疑：這水能喝嗎？有一位認(rèn)真的人，他把流出來的水拿到防疫站檢測(cè)，居然在水里真的找不到細(xì)菌。這人就是后來從事神奇“膜”研究的發(fā)明者陳良剛。

陳良剛發(fā)明的這張膜，在2010年上海開幕的世博會(huì)上，受到了7000萬人次的游客的青睞。他們就在世博園內(nèi)使用陳良剛帶領(lǐng)著他的團(tuán)隊(duì)設(shè)置的114個(gè)直飲水點(diǎn)和1684個(gè)直飲水龍頭，喝到了清洌的直飲水，成為將自來水變直飲水的體驗(yàn)者。

為什么美國(guó)和歐洲一些國(guó)家的都拿自來水當(dāng)涼開水喝，而我國(guó)的自來水不能直飲，甚至燒開了的水還不安全呢？一個(gè)主要原因是，發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)80年代開始將膜技術(shù)引入水處理；我國(guó)各地的自來水廠大都采用傳統(tǒng)的凈水工藝，即采用絮凝、沉淀、過濾、加藥消毒等過程，所投放的藥劑可能在水中產(chǎn)生衍生物，對(duì)人體造成危害，且在處理致病原生動(dòng)物，去除濁度、水中有機(jī)物和氨氮效果方面作用有限。即使將自來水燒成開水可殺死微生物污染，但無法去除有機(jī)污染物。不少有機(jī)污染物在人體內(nèi)積累到一定程度，可能致癌、致畸、致突變。

世博園區(qū)的直飲水

因此，膜法處理這種新的水處理方法得到了越來越多國(guó)家的認(rèn)可與重視。但一直以來，由于國(guó)外的技術(shù)壟斷，膜的成本居高不下；一臺(tái)松下桌上型凈水器僅僅使用了0.5平方米的膜，在中國(guó)賣到3000元。國(guó)際膜行業(yè)，超濾膜產(chǎn)品主要是使用PE（聚乙烯）、PVDF[聚偏(二)氟乙烯]材料作為原料，不但制造材料昂貴，而且耗能較高，只能用于醫(yī)療透析等極少數(shù)領(lǐng)域。超濾膜成了“陽春白雪”。

20世紀(jì)90年代起我國(guó)開始研究膜處理，清華大學(xué)燃?xì)怆姍C(jī)專業(yè)畢業(yè)的陳良剛兼具科學(xué)家智慧和企業(yè)家敏感，他覺察到了膜處理技術(shù)蘊(yùn)含的巨大商機(jī)，開始了超濾膜的研制。陳良剛把自己關(guān)在簡(jiǎn)陋的實(shí)驗(yàn)室里，他希望發(fā)明一種“老百姓都能用得起的”的超濾膜。而要降低超濾膜成本，當(dāng)務(wù)之急是要找到一種價(jià)格低廉、性能優(yōu)良的制膜主材料。在研究比較了多種材料后，陳良剛興奮地發(fā)現(xiàn)：一種普通的工業(yè)塑料——PVC（聚氯乙烯）竟在自己的研究中大有可為。這種材料具備優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐酸堿性和耐微生物侵蝕性，而用這種材料制成的超濾膜在市場(chǎng)上的價(jià)格僅為國(guó)外產(chǎn)品的三分之一。

然而，用PVC材料生產(chǎn)超濾膜，西方有科學(xué)家研究過，也在西方的教科書里描述過。用PVC生產(chǎn)超濾膜有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)：便宜、性能穩(wěn)定；缺點(diǎn)是：不耐光、不耐高溫，存在理論上的可能。但從來就沒有人成功研發(fā)高性能的PVC超濾膜。

陳良剛認(rèn)為做膜不需要在有強(qiáng)光和高溫的條件下處理污水和自來水。他通過對(duì)PVC材料的“合金”改性，讓PVC合金材料具備了成膜結(jié)構(gòu)、親水性和抗污染性等特點(diǎn)，大幅度地提高了PVC的分離性能、滲透性能、機(jī)械性能和使用壽命。

利用這種復(fù)合材料反復(fù)試驗(yàn)，在陳良剛的實(shí)驗(yàn)室里終于誕生了享有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PVC合金毛細(xì)管式超濾膜。同其他超濾膜相比，陳良剛發(fā)明的PVC合金毛細(xì)管式超濾膜過濾孔徑只有頭發(fā)絲的萬分之一那么大，過濾精度達(dá)到0.01微米，能濾除水中泥沙、鐵銹、細(xì)菌、病毒和大分子有機(jī)物。

那么，這層病毒去除率達(dá)到99.99%，水資源利用率達(dá)99%的“膜”，到底長(zhǎng)什么樣？

PVC合金毛細(xì)管式超濾膜被稱為“核心過濾材料”，它是一種表面布滿十萬分之一毫米微孔的空心塑料管，有的為乳白色有的為淡黃色，如粉條般順滑。通過如此細(xì)密的微孔，根據(jù)不同水質(zhì)不同環(huán)境，采用內(nèi)壓膜和外壓膜方法能把臟水過濾成凈水。原水直接進(jìn)膜池抽出來就是干凈水，不僅能夠節(jié)省土地70%，而且使水的回用率由95%提高到99%以上。拿上海市做例子，上海每天處理1000萬噸生活用水，如果采用膜過濾，每天可節(jié)約40萬噸水，是典型的節(jié)能減排。

PVC合金毛細(xì)管式超濾膜另一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)在于能在水處理過程中有效節(jié)約能源。一般情況下，水從單位面積超濾膜滲透至少需要1千克的壓力。但PVC合金毛細(xì)管式超濾膜的膜表面具有開孔率較高，透水性能好的性質(zhì)，通常在0.4千克～0.8千克的工作壓力環(huán)境下，便可獲得較大的通水量，大大降低了能耗，節(jié)約了水處理的運(yùn)行成本。鑒于其低廉的制造成本和膜裝置模塊化優(yōu)勢(shì)，PVC合金毛細(xì)管式超濾膜也使得國(guó)際范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用超濾膜成為可能。

水廠的超濾膜裝置

再說上海世博園區(qū)使用的直飲水系統(tǒng)，它是我國(guó)自主研發(fā)的公共區(qū)域直飲水設(shè)備的一種實(shí)際應(yīng)用。通過世博會(huì)中積累的數(shù)據(jù)，超濾膜技術(shù)得到了改良，并可開發(fā)出了適合家庭使用的直飲水設(shè)備。這套直飲水系統(tǒng)采用三道屏障保證直飲水質(zhì)量，即采用“活性炭＋PVC合金超濾膜＋紫外線”組合處理工藝技術(shù)：活性炭有效去除水中的各種小分子有機(jī)物，降低色度和嗅味；PVC超濾膜徹底去除水中的懸浮顆粒、細(xì)菌、病毒、膠體以及大分子有機(jī)物等，而紫外線有較強(qiáng)的殺菌效果，能起到進(jìn)一步安全防護(hù)作用。

經(jīng)過這三道屏障保證，世博直飲水各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到了現(xiàn)行國(guó)家《飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》和《飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，達(dá)到了衛(wèi)生部公布了直接飲用水的七項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

由此可見，該技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，膜性能與國(guó)際同類產(chǎn)品相當(dāng)，而價(jià)格僅相當(dāng)于國(guó)際水平的1/3，使高貴的膜實(shí)現(xiàn)“平民化”應(yīng)用推廣成為了可能。不久的一天，家家戶戶都可實(shí)現(xiàn)直飲水了。家用直飲水裝置不需要用電，一根濾芯可以用3～5年，中間不用更換濾芯。而且濾芯的使用壽命和用水量關(guān)系不大，能滿足家庭的飲用水需求。到那時(shí)，真是“把高貴的膜平民化了。”