用一张膜使污水变净水

文/陈福民

1992年4月的一天，在南方的一次科技产品展销会上，一位科技人员做了一个有趣的表演。他指着面前的一个筒状容器说：“我现在打开这边的龙头，让脏水从这一头流进去，再看中间有一个叫做‘膜’的东西，经过它的过滤，就会出现‘奇迹’。”当大家看到他打开另一头的龙头时，杯子里接到的竟然是清清“净水”了。当时在场的人都半信半疑：这水能喝吗？有一位认真的人，他把流出来的水拿到防疫站检测，居然在水里真的找不到细菌。这人就是后来从事神奇“膜”研究的发明者陈良刚。

陈良刚发明的这张膜，在2010年上海开幕的世博会上，受到了7000万人次的游客的青睐。他们就在世博园内使用陈良刚带领着他的团队设置的114个直饮水点和1684个直饮水龙头，喝到了清洌的直饮水，成为将自来水变直饮水的体验者。

为什么美国和欧洲一些国家的都拿自来水当凉开水喝，而我国的自来水不能直饮，甚至烧开了的水还不安全呢？一个主要原因是，发达国家从20世纪80年代开始将膜技术引入水处理；我国各地的自来水厂大都采用传统的净水工艺，即采用絮凝、沉淀、过滤、加药消毒等过程，所投放的药剂可能在水中产生衍生物，对人体造成危害，且在处理致病原生动物，去除浊度、水中有机物和氨氮效果方面作用有限。即使将自来水烧成开水可杀死微生物污染，但无法去除有机污染物。不少有机污染物在人体内积累到一定程度，可能致癌、致畸、致突变。

世博园区的直饮水

因此，膜法处理这种新的水处理方法得到了越来越多国家的认可与重视。但一直以来，由于国外的技术垄断，膜的成本居高不下；一台松下桌上型净水器仅仅使用了0.5平方米的膜，在中国卖到3000元。国际膜行业，超滤膜产品主要是使用PE（聚乙烯）、PVDF[聚偏(二)氟乙烯]材料作为原料，不但制造材料昂贵，而且耗能较高，只能用于医疗透析等极少数领域。超滤膜成了“阳春白雪”。

20世纪90年代起我国开始研究膜处理，清华大学燃气电机专业毕业的陈良刚兼具科学家智慧和企业家敏感，他觉察到了膜处理技术蕴含的巨大商机，开始了超滤膜的研制。陈良刚把自己关在简陋的实验室里，他希望发明一种“老百姓都能用得起的”的超滤膜。而要降低超滤膜成本，当务之急是要找到一种价格低廉、性能优良的制膜主材料。在研究比较了多种材料后，陈良刚兴奋地发现：一种普通的工业塑料——PVC（聚氯乙烯）竟在自己的研究中大有可为。这种材料具备优良的化学稳定性、耐酸碱性和耐微生物侵蚀性，而用这种材料制成的超滤膜在市场上的价格仅为国外产品的三分之一。

然而，用PVC材料生产超滤膜，西方有科学家研究过，也在西方的教科书里描述过。用PVC生产超滤膜有非常明显的优点：便宜、性能稳定；缺点是：不耐光、不耐高温，存在理论上的可能。但从来就没有人成功研发高性能的PVC超滤膜。

陈良刚认为做膜不需要在有强光和高温的条件下处理污水和自来水。他通过对PVC材料的“合金”改性，让PVC合金材料具备了成膜结构、亲水性和抗污染性等特点，大幅度地提高了PVC的分离性能、渗透性能、机械性能和使用寿命。

利用这种复合材料反复试验，在陈良刚的实验室里终于诞生了享有完全自主知识产权的PVC合金毛细管式超滤膜。同其他超滤膜相比，陈良刚发明的PVC合金毛细管式超滤膜过滤孔径只有头发丝的万分之一那么大，过滤精度达到0.01微米，能滤除水中泥沙、铁锈、细菌、病毒和大分子有机物。

那么，这层病毒去除率达到99.99%，水资源利用率达99%的“膜”，到底长什么样？

PVC合金毛细管式超滤膜被称为“核心过滤材料”，它是一种表面布满十万分之一毫米微孔的空心塑料管，有的为乳白色有的为淡黄色，如粉条般顺滑。通过如此细密的微孔，根据不同水质不同环境，采用内压膜和外压膜方法能把脏水过滤成净水。原水直接进膜池抽出来就是干净水，不仅能够节省土地70%，而且使水的回用率由95%提高到99%以上。拿上海市做例子，上海每天处理1000万吨生活用水，如果采用膜过滤，每天可节约40万吨水，是典型的节能减排。

PVC合金毛细管式超滤膜另一个明显的优势在于能在水处理过程中有效节约能源。一般情况下，水从单位面积超滤膜渗透至少需要1千克的压力。但PVC合金毛细管式超滤膜的膜表面具有开孔率较高，透水性能好的性质，通常在0.4千克～0.8千克的工作压力环境下，便可获得较大的通水量，大大降低了能耗，节约了水处理的运行成本。鉴于其低廉的制造成本和膜装置模块化优势，PVC合金毛细管式超滤膜也使得国际范围内广泛应用超滤膜成为可能。

水厂的超滤膜装置

再说上海世博园区使用的直饮水系统，它是我国自主研发的公共区域直饮水设备的一种实际应用。通过世博会中积累的数据，超滤膜技术得到了改良，并可开发出了适合家庭使用的直饮水设备。这套直饮水系统采用三道屏障保证直饮水质量，即采用“活性炭＋PVC合金超滤膜＋紫外线”组合处理工艺技术：活性炭有效去除水中的各种小分子有机物，降低色度和嗅味；PVC超滤膜彻底去除水中的悬浮颗粒、细菌、病毒、胶体以及大分子有机物等，而紫外线有较强的杀菌效果，能起到进一步安全防护作用。

经过这三道屏障保证，世博直饮水各项水质指标达到了现行国家《饮用水卫生标准》和《饮用净水水质标准》的要求，达到了卫生部公布了直接饮用水的七项标准。

由此可见，该技术达到国际领先水平，膜性能与国际同类产品相当，而价格仅相当于国际水平的1/3，使高贵的膜实现“平民化”应用推广成为了可能。不久的一天，家家户户都可实现直饮水了。家用直饮水装置不需要用电，一根滤芯可以用3～5年，中间不用更换滤芯。而且滤芯的使用寿命和用水量关系不大，能满足家庭的饮用水需求。到那时，真是“把高贵的膜平民化了。”