一张“纸”的“膜法”远征

来源:河北广播电视台冀时新闻

责编:王悦

时间:2026-10-25 10:40:33

从大渡河畔泸定桥凌空的铁索,到危机四伏的松潘茫茫草地,长征路上,面对一道道艰难险阻,红军将士的选择都是迎难而上,以血肉之躯闯过绝境。支撑他们的,是为理想为责任不怕任何艰难险阻,不惜付出一切的牺牲精神。


90年后的今天,广大科研工作者以历史主动精神克难关、战风险、迎挑战,百折不挠、一往无前,用一次次攻坚克难为科技强国贡献力量。天津新闻广播联合河北新闻广播、北京广播电视台京津冀之声推出融媒体报道“走好新时代长征路 协同发展向新而行”,沿着长征精神的脉络,走进新时代奋斗者的现场,记录那些以信念为炬、以实干为桥的动人故事,展现伟大长征精神在协同发展实践中的薪火相传与时代回响。


 


在天津工业大学,化学工程与技术学院教授、国家重点研发计划项目首席科学家常娜带领团队,十几年如一日向着膜材料“卡脖子”难题发起冲锋,从实验室样品走向产业工程现场,在一次次试错攻坚之中,书写新时代科研人的长征答卷。


“从一张纸开始的科研路”


“就是这张‘纸’。”


走进办公室,在一摞摞科研材料中间,常娜准确地拿起一片膜材料。




“就是靠它,我们能从海水里‘榨’出淡水。”常娜说,“一个小时能把50升海水滤成能用的淡水。”


为了这张薄薄的膜,常娜在高性能分离膜领域已经深耕14年。


海水淡化,如今已经成为工业用水的重要补充,在淡水资源紧缺的沿海地区,这份供给格外关键。我国人均淡水资源只有世界平均水平的四分之一,沿海产业密集、耗水量巨大,生产发展、民生供水都对淡水资源有着持续需求,海水淡化的现实需求日益扩大。按照规划,到2030年,我国海水淡化工程总规模将达到450万吨/日以上。可长期以来,国内万吨级以上大型海水淡化工程的核心器件——分离膜,八成依靠进口。


“不仅价格贵,而且处处让人卡脖子。”常娜说,“人家说要涨价,下游项目就必须被动接受;人家说交货延迟,产线就算要停工,也只能等着。”


“甲方成了乙方,乙方倒像是甲方。”


分离膜高度依赖进口,还形成了一道难以突破的恶性循环:供应链主动权攥在海外供应商手中,出于供水稳定的考量,大型工程项目不敢贸然大规模选用国产膜;缺少大型工程长期工况的验证数据,国产材料就很难拿到真实反馈持续迭代优化,技术成长缺少扎根的土壤。要把这张海水淡化装置的“心脏膜”攥在自己手里,不仅是一道绕不开的时代考题,更是一项风险高、投入大、周期漫长的攻坚任务。


可常娜偏偏选择迎难而上。她依托天津工业大学先进分离膜材料全国重点实验室开展攻关,这一平台在国内膜材料领域积淀深厚,是一代代科研人持续深耕的技术家底,也给了常娜和团队向前闯的底气。


“其实就过滤脱盐的初始性能来说,国产膜材料和进口材料相差不大,真正拉开差距的,是长期连续运行下的衰减稳定性。”


2023年,依托多年持续积累,常娜团队牵头的国家重点研发计划项目“低碳节能海水淡化及资源化关键材料研发及技术示范”获批立项。这是中新科技创新合作旗舰项目,聚焦水生态与环境技术领域海水淡化、膜技术方向,目标是系统破解海水淡化反渗透核心膜材料、低碳节能集成工艺、浓海水当中超低浓度战略资源提取等一系列卡脖子难题。


在实验室完成持续研发、为期一个月的长周期测试之后,常娜团队联合山东合作企业推进技术产业化,试制国产海水淡化膜元件,装机投入海上工程现场开展中试测试。


“在实验室,实验结果都很漂亮:脱盐率、水通量数据稳定,论文图表好看,当时我们整个团队都是信心满满。”常娜回忆。


可上机运行3个月,合作企业反馈传回一个坏消息:膜材料性能出现明显衰减,实际使用寿命远低于国际同类成熟产品。


“问题出在哪?”


拿着对方寄回的失效膜元件样品,常娜反复拆解观察,一时间百思不得其解。


“当初为了规避这类风险,我们专门在实验室里安排了长周期测试。”常娜说,“以现在的眼光回头看,当时的测试时长,还不足以模拟工程现场的长期考验。只是在那个阶段,我们一度认为这样的验证已经足够说明问题。”


后续的检测排查,更让团队陷入困惑:产水指标持续下滑,但本该最先受损的功能层,没有出现预想中的破坏痕迹。


“指标在变坏,但‘该坏的地方没坏’。”


“文献、专利、行业报告,大家翻了一遍又一遍,几乎所有公开研究,全都在围绕过滤元件的核心——聚酰胺分离功能层做文章。”常娜说。


一般来说,薄薄一张海水淡化反渗透膜,由三层结构协同组成:最下部的无纺布层,承担整体力学支撑;中间的聚合物多孔支撑层,为核心功能层提供生长附着的基底;最表层的聚酰胺分离功能层,厚度仅100-200纳米,是实现海水脱盐过滤的核心。


“很长一段时间里,我们的眼睛,就都盯在这一层薄薄的功能表皮上。”


研究就此陷入僵局,所有人反复比对数据、查阅资料,一时找不到故障根源,但没有人愿意就此停下。


“国家项目,一个萝卜一个坑。”常娜打了个比方,“国家布局一个攻关方向,往往只安排一支团队,留给我们三到五年的攻坚周期。我们如果没能把这个难题填平,不仅浪费国家投入的资金与时间,还会挡住其他团队继续向前攻克这项技术的机会。”


“科研整体上允许试错、允许失败,但有一些面向产业链安全的攻关,真的不允许你轻易放弃。”


于是,常娜定下方向,从头复盘,一个参数一个参数核验、一个结构一个部件逐层排查。在一轮轮排除常见诱因之后,一个容易被忽略的反常细节慢慢浮出水面:托举着功能层的多孔支撑层与底部无纺布基底,在工程装置持续几十公斤的高压挤压之下,内部孔隙逐步被压塌致密化,支撑结构发生不可逆形变,膜的水流通道被压缩,分离效果随之大打折扣。


“根源还是实验室理想环境和真实工业应用场景之间,天然存在距离。”常娜说,“装机投入现场,就意味着膜元件要在高盐、高压条件下不间断连续运行,现场工况的严苛程度,是实验室小型模拟装置复刻不出来的。”


这次受挫,给了常娜和团队一条朴素却深刻的领悟:“理论不能脱离实际。想要解决产业真问题,不能只守在实验台,必须迎难而上,走到生产一线、走到真实应用场景里去寻找答案。”


这也成为整个团队恪守的科研信条。大家不再把论文发表当作研究的终点,主动面向产业痛点,从一线真实需求里锚定科研的价值。


“这样踩坑、复盘、再出发的经历,在攻关路上还有很多。”常娜说。


常娜(左四)


从一杯清水里寻找隐藏答案


团队参与过的另一项国家级重大任务,是国家重点研发计划“高新区印染废水近零排放及资源化利用技术研究及示范”的核心课题。团队承接的任务,是开发适配高污染废水的膜过滤体系,处理印染行业高酸碱度、高杂质的生产废水,处理后的再生水回用于生产线,实现水资源循环复用。


“同样是实验室小试一切平稳,落地到工厂一线,意外就出现了。”常娜说,“经过膜系统处理的再生水回到染色工序,染出来的布匹,频频出现色差、色花问题。”


团队把水样带回实验室,逐项开展检测,三十余项常规水质指标全部达标。


“明明看起来洁净透明的水,它就是不行。”常娜带领团队比对几十项监测参数,所有指标都在合格区间。翻阅国内外文献,找不到可供参考的解决方案——印染这类高耗水的传统产业,大多集中在亚洲地区,欧美早已转移相关产能,“国际上都没有成熟的成功案例可以借鉴”,就连一同开展示范的工厂技术人员,都慢慢失去信心,打算放弃这条回用路线。


那段日子,整个团队几乎黔驴技穷。“30多个参数逐一比对都没有异常,没有先例可以参考,那段时间,我们真的不知道下一步还能从哪里入手。”


转机,来自一次车间里和一线老师傅的闲聊。一位有着多年染色经验的老师傅和常娜聊起生产工艺,随口提了一句:“我们染色的时候,会按需添加酸、碱调节条件,用来稳定pH的缓冲溶液,说不定会对染色上色效果产生影响。”


“我们当时一下就抓住了这个思路。”常娜说。


团队立刻定向设计实验、针对性检测,真相随之浮出水面:水体中的碳酸氢钠浓度,在循环回用系统里累积放大了10倍。碳酸氢钠属于缓冲物质,所以水样pH读数没有明显变化,但随着水循环次数不断增加,它持续富集,悄悄干扰染料的上色反应。老师傅依靠经验现场调药剂,每次添加量看着不多,却忽略了水体里不断积攒的缓冲盐,没有对应的监测手段,这个隐性变量一直藏在视野之外。找准干扰源头之后,团队优化水处理工艺,增设针对性调控环节,难题顺利化解,这项示范项目最终顺利落地。


“那是一种非常光荣的感受——没有辜负国家的信任。”回望十几年的科研征途,常娜说得轻描淡写,“踏踏实实啃下两个重大项目,十年时间一晃就过去了。”常年扎根工业废水处理、海水淡化两大方向,失败的实验、卡住的难题数不胜数,她已经说不清经历过多少次挫败:“在实验室里,今天实验失败、明天数据不理想,失败的次数,很难去一一衡量。支撑我们一直往前走的,就是这份向难而行的劲头。”


“我们清楚目标在哪里,清楚我们的研究扎根于现实刚需,是有价值的。”


这份向险而行、久久攻坚的韧劲,也在团队里传递给年轻一代科研人。博士生赵莹莹坦言,刚进入实验室的时候,自己最先关注的是论文成果;跟着常娜跑现场、下一线,见证技术从实验室走向工程之后,想法慢慢发生转变。“如果做出来的东西只能留在实验室,那这张膜的价值,只局限在实验室里。如何让产业、让大家真正用上,才是它更大的意义。”她渐渐明白,论文从来不是科研的终点,技术落地、解决真问题才是,“要把自己研发的产品真正推广出去,让它的价值最大化。”

 


如今,一批成果稳步走向产业化。高脱盐率海水淡化反渗透膜顺利完成长期海上中试验证,向着打破高端进口膜垄断持续推进;低能耗高通量反渗透膜,已经在国内多地三十多个工业废水处理工程项目稳定投用;一批发明专利、膜制备新工艺陆续完成成果转化。


“长征路上有很多艰难险阻,我们的科研路上,同样充满阻力。”常娜说,“要脚踏实地瞄准真问题、瞄准国家重大需求啃硬骨头,就像当年红军长征一样,认准方向,一直坚持走下去。”


一人闯关,一群人接力,一个平台持续拓路。天津工业大学先进分离膜材料全国重点实验室,已在河北沧州布局成果转化平台,很多瞄准国家水资源安全需求的科研成果,在这里完成中试、放大,转化为助力区域协同发展的现实生产力。那张薄薄的膜,沿着一条漫长的科创远征之路,向着更远的大海延伸。新时代的长征路上,始终有科研人向险而行、步履不停。


来源|天津广播、京津冀之声

编辑|王悦

责编|安倩

编审|谷林曼

监制|冯慧杰

终审|边宇峰


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