拓宽“膜”法净化应用领域——记科技进步一等奖高性能纳米复合中空纤维膜与器件制备关键技术及应用

　　中空纤维膜如同一个精密的“分子筛”，能够高效分离水、气体中的不同物质，是水处理等领域的关键技术。聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜、聚四氟乙烯(PTFE)是常用的中空纤维膜材料。然而传统技术制备的膜材料存在抗污染能力弱、选择性分离精度低、化学稳定性不足等短板，制约了其在环保领域应用。基于此，浙江大学、北京碧水源膜科技有限公司等单位历经15年攻关，研发出“高性能纳米复合中空纤维膜与器件制备关键技术及应用”项目，发明了纳米复合制膜技术，开发出系列高性能中空纤维膜产品，并实现了产业化制备与规模化应用，产品覆盖终端净水、工业废水治理及空气净化等领域。近日，该技术荣获2025年度中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖。

　　表面纳米复合强化技术：让PVDF膜更强、更耐污

　　在众多膜材料中，PVDF因优异的化学稳定性和机械强度被广泛用于水处理中，但其强疏水性导致膜表面极易吸附蛋白质等污染物，造成膜孔堵塞、通量下降。如何制备出既高强度又长效抗污的污水专用膜是行业关注的问题。为此，研究团队建立了表面纳米复合强化制膜技术，成功开发出兼具高强度与长效抗污性能的PVDF中空纤维膜。

　　浙江大学膜与水处理技术教育部工程研究中心副研究员方传杰介绍说：“该技术将长效抗污纳米材料共混于PVDF铸膜液中，成功制备出大通量、高截留率、亲水长效抗污的PVDF膜材料。”为进一步提升强度，团队采用聚酯纤维编织管作为增强支撑，并发展支撑材料偶联剂改性技术，实现了PVDF分离层与编织增强管的有机互锁式复合——纳米材料的疏水端诱导PVDF向支撑材料渗透，使两者融为一体，显著提高强度且不发生剥离；而亲水端则在膜表面富集，赋予膜优异的亲水性，有效抵御蛋白质等污染物的黏附，从而实现长效抗污。

　　通过这种技术制备的PVDF中空纤维膜强度可超过200牛，抗污染性能大幅提升，广泛用于工业废水及市政污水处理，已形成数十亿元产值，全球市场占有率超过50%。

　　原位纳米复合技术：让聚醚砜膜变“智慧”

　　传统超滤膜虽能有效滤除细菌、胶体等大颗粒污染物，却无法区分水中的有益矿物质和微量有害物质——它们往往“一视同仁”地全部截留或全部通过。为解决这一瓶颈，团队首创高选择性过滤膜原位纳米复合制备技术，并开发出兼具过滤与吸附功能的聚醚砜中空纤维净水膜。

　　“该技术的核心是原位共混复合，即先将具有选择性吸附功能的纳米材料溶解在溶剂中，再与聚醚砜溶液均匀混合，通过相分离过程成膜。”方传杰介绍，在成膜过程中，纳米材料在膜内发生物理化学交联、自组装或配位反应，从而牢固负载于膜基体中。最终，团队制作出的聚醚砜中空纤维膜对铅、铬、砷、镉等重金属及双酚A、多环芳烃等微量有机污染物的脱除率高达99%～99.7%，而对钙、镁、钾、硒等有益矿物成分的保留率达91%～94.4%，真正实现了“去害留益”的智慧分离。

　　中间层纳米复合技术：攻克PTFE膜亲水难题

　　PTFE素有“塑料王”之称，因其极强的耐化学腐蚀性，被视为处理电镀废水、垃圾渗滤液等高难废水的理想材料。然而，PTFE本身的强疏水性和化学惰性使其难以被水润湿，表面改性更是难上加难。

　　为攻克这一“卡脖子”难题，团队创建了PTFE膜的中间层纳米复合制膜技术。这一技术的核心在于引入两亲性黏合中间层。“团队在PTFE中空纤维膜表面与超亲水无机纳米材料之间，构建了一层具有交联网络结构的双功能中间层，并将这种纳米材料牢固锚定在PTFE表面，使膜的亲水层分布均匀且持久稳定，彻底解决了亲水层易脱落的问题。”

　　目前该技术已完成产业化，产品广泛应用于电镀废水、垃圾渗滤液等高难废水处理领域，出水水质达到中水回用标准，且能耗更低，性能可媲美日本企业同类产品。

　　未来展望：向“苛刻环境”进军

　　一项技术能否真正服务于国计民生，最终取决于它能否从实验室走向生产线，走进千家万户。谈及产业化进展，方传杰语气中透出自信：“我们开发的中空纤维膜材料已在宁波方太厨具有限公司、北京碧水源膜科技有限公司等企业实现规模化应用，建成生产线年产能超过千万平方米，累计创造产值近30亿元。产品能够覆盖水处理所有领域，从电镀、垃圾渗滤液、造纸、化工、印染等高难废水处理到自来水厂等市政污水处理，再到净水机等终端饮水设备，为解决人类水资源化再利用及水环境治理提供了强有力的技术支撑。”

　　当前，膜技术已在海水淡化、工业废水和城市污水的回收再利用等水系物料分离与纯化领域取得成功，下一步是将膜技术应用于化学工业物料分离与纯化领域，以替代传统的热相变分离技术，助力实现“双碳”目标。当然，化工分离的场景远比水处理复杂得多，待分离体系往往成分较多，且涉及高温、高压、强酸碱、有机溶剂等苛刻环境，对膜材料提出了全新挑战。面向这一重大需求，研究团队计划在现有纳米复合技术基础上，进一步开发耐溶剂、耐高温、耐高压的新型膜材料，推动膜技术从“水处理”向“化工过程强化”跨越，为中国制造业绿色低碳转型提供装备支撑。