石碧院士：以分子捕捉技術(shù)破解高鹽廢水治理難題——從科學(xué)發(fā)現(xiàn)到產(chǎn)業(yè)化的創(chuàng)新實(shí)踐

文章刊登于《中國(guó)科技產(chǎn)業(yè)》雜志

202512期“院士專論

水資源安全與水環(huán)境保護(hù)是生態(tài)文明建設(shè)的核心議題。高鹽廢水作為工業(yè)生產(chǎn)中普遍存在的難處理污染物，其排放量伴隨石油化工、印染、煤化工、石油開采等行業(yè)的發(fā)展持續(xù)攀升，對(duì)土壤、地下水及近岸海域生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅。國(guó)家《“十四五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》及《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》明確將高鹽廢水深度處理列為重點(diǎn)攻堅(jiān)領(lǐng)域。面對(duì)這一重大需求，我國(guó)環(huán)保科技領(lǐng)域的相關(guān)科研成果轉(zhuǎn)化效率顯著不足，大量實(shí)驗(yàn)室技術(shù)止步于論文與專利，未能跨越從學(xué)術(shù)成果到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的鴻溝。其深層癥結(jié)在于，許多原創(chuàng)技術(shù)因缺乏中試驗(yàn)證和規(guī)模化放大的實(shí)證數(shù)據(jù)與成熟的工藝包，難以獲得產(chǎn)業(yè)資本的信任與投入，最終困于實(shí)驗(yàn)室，無法服務(wù)于經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)。

一、高鹽廢水治理的國(guó)家需求與科技挑戰(zhàn)

隨著我國(guó)化工、輕工、機(jī)械制造等基礎(chǔ)工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，其在保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)繁榮的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量成分復(fù)雜、難處理的高鹽有機(jī)廢水。這類廢水的高效治理，已成為制約眾多行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展的“卡脖子”難題。在我國(guó)許多地區(qū)面臨水資源短缺的背景下，工業(yè)廢水的深度凈化與回用是開源節(jié)流的重要途徑。高鹽廢水因其鹽分含量高，回用難度極大。要實(shí)現(xiàn)真正的“零排放”或“近零排放”，核心問題在于能否高效和較徹底地去除廢水中的有機(jī)污染物，為后續(xù)的脫鹽工藝掃清障礙、降低成本。

高鹽廢水通常兼具高鹽度（高Cl?、SO?2?、Na?等含量）和高有機(jī)物濃度（CODcr）的雙重特征，對(duì)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。高鹽條件導(dǎo)致滲透壓升高，對(duì)傳統(tǒng)廢水生化處理系統(tǒng)中的微生物產(chǎn)生抑制作用，使得生化法這一經(jīng)濟(jì)高效的污水處理手段難以適用。目前，普遍采用的“氧化+生化”或“蒸發(fā)結(jié)晶”等傳統(tǒng)工藝，或面臨處理效率低、成本高昂的困境，或存在“結(jié)垢堵塞”“二次污染”等棘手難題。面對(duì)這一重大瓶頸問題，我們團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)研究，揭示了包括高鹽有機(jī)廢水、絡(luò)合態(tài)重金屬?gòu)U水等難處理廢水的共性癥結(jié)——污染物具有極強(qiáng)的親水性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠與水分子形成牢固的水合層，從而持久穩(wěn)定地存在于水體中，對(duì)依靠相分離機(jī)制（如沉淀、吸附、氣浮等）的傳統(tǒng)處理技術(shù)產(chǎn)生強(qiáng)烈抵抗。因此，要實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，不能囿于“如何分離”的舊思路，而必須從根本上解決“如何高效破壞污染物的親水穩(wěn)定態(tài)，促使其向疏水態(tài)或易分離態(tài)轉(zhuǎn)變”。這一關(guān)鍵科學(xué)問題的明確提出，成為我們團(tuán)隊(duì)研發(fā)分子捕捉技術(shù)的原始起點(diǎn)，致力于通過基礎(chǔ)理論的創(chuàng)新推動(dòng)工程技術(shù)的跨越。

二、技術(shù)突破：分子捕捉機(jī)制的創(chuàng)新與體系構(gòu)建

課題伊始，我們聚焦于制革染整廢水中絡(luò)合態(tài)鉻難以達(dá)標(biāo)排放這一行業(yè)共性難題。傳統(tǒng)堿沉淀法在處理該類廢水時(shí)效果有限，原因在于其難以清除有機(jī)配體（如檸檬酸、染料、聚合物）與鉻離子（Cr3?）所形成的高穩(wěn)定性、強(qiáng)親水性絡(luò)合物。我們通過分子結(jié)構(gòu)分析與溶液化學(xué)行為解析，發(fā)現(xiàn)其難治理的根本原因在于有機(jī)污染物分子表面富含強(qiáng)極性官能團(tuán)（-COOH、-OH、-SO?H等），與水分子形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而賦予體系極高的溶解性與化學(xué)穩(wěn)定性。按照傳統(tǒng)技術(shù)路線，需要通過強(qiáng)氧化等方法降解有機(jī)配體，從而強(qiáng)行拆解整個(gè)絡(luò)合物，而后再減法沉淀金屬離子，但其成本高昂且容易導(dǎo)致Cr3?轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較高的Cr6?。針對(duì)該難題，我們提出了新的治理思路，即通過引入分子捕捉劑，精準(zhǔn)靶向封閉親水官能團(tuán)，降低污染物的親水性，使其由水相自發(fā)地向固相遷移，從而實(shí)現(xiàn)了從“對(duì)抗”到“調(diào)控”的策略轉(zhuǎn)變。

基于上述思路，我們發(fā)展了分子捕捉處理技術(shù)，其科學(xué)內(nèi)涵在于設(shè)計(jì)并合成具有特定分子結(jié)構(gòu)的捕捉劑，通過靜電、配位、非靜電等分子間作用力，高選擇性封閉污染物分子中親水官能團(tuán)，快速降低其整體親水性。污染物-捕捉劑復(fù)合物因其表面疏水性的顯著增強(qiáng)，水合作用大幅削弱，進(jìn)而通過疏水締合作用自發(fā)聚集、長(zhǎng)大，形成穩(wěn)定的疏水型沉淀物，最終通過常規(guī)固液分離方式被高效去除。

在解決制革廢水處理難題后，我們繼續(xù)投入大量的碩博士研究生，系統(tǒng)拓展該技術(shù)在焦化廢水、煤化工廢水、垃圾滲濾液、石油/天然氣壓裂返排液等多種高鹽難降解有機(jī)廢水中的應(yīng)用。大量實(shí)驗(yàn)表明，盡管不同行業(yè)廢水污染物組成復(fù)雜多樣，但其難處理的共性根源在于其有機(jī)污染物分子結(jié)構(gòu)中強(qiáng)親水官能團(tuán)的存在。這一發(fā)現(xiàn)，將一項(xiàng)具體技術(shù)的開發(fā)上升至對(duì)一類共性科學(xué)問題的揭示。因此，我們構(gòu)建了“結(jié)構(gòu)分析-機(jī)理研判-定向開發(fā)”為一體的技術(shù)研發(fā)體系，首先精準(zhǔn)解析廢水中關(guān)鍵污染物的分子結(jié)構(gòu)特征，識(shí)別其親水核心，判斷其在水環(huán)境中保持高溶解度的主要作用力類型，據(jù)此理性設(shè)計(jì)并合成與之匹配的、具有特定功能基團(tuán)和分子構(gòu)型的定制化捕捉劑分子。憑借底層原理的突破，該技術(shù)顯示出優(yōu)于傳統(tǒng)方法的核心競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)了從機(jī)理創(chuàng)新到實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的轉(zhuǎn)化。

三、中試驗(yàn)證：技術(shù)熟化的核心步驟

中試驗(yàn)證是科技成果轉(zhuǎn)化過程中至關(guān)重要的一環(huán)，它絕非實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的簡(jiǎn)單放大，而是要在逼近真實(shí)的工況下，系統(tǒng)地識(shí)別、解析并攻克那些在燒杯中無從預(yù)見、卻足以決定技術(shù)產(chǎn)業(yè)化成敗的工程科學(xué)問題。我們的中試研究工作借助成都青白江中試產(chǎn)業(yè)基地開展，重點(diǎn)解決分子捕捉技術(shù)向規(guī)模化工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化過程中面臨的放大后反應(yīng)不均勻和高鹽環(huán)境下反應(yīng)物沉降性能較差兩大核心問題。

首先是宏觀尺度下的反應(yīng)傳質(zhì)難題。在實(shí)驗(yàn)室的磁力攪拌器中，反應(yīng)物可實(shí)現(xiàn)分子級(jí)別的均勻混合與高效傳質(zhì)。然而，在數(shù)立方米乃至數(shù)十立方米的工程化反應(yīng)器中，如何再現(xiàn)這一理想狀態(tài)，是保證反應(yīng)效率與藥劑經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。我們通過中試，系統(tǒng)探究了不同混合型式、流場(chǎng)分布、進(jìn)水方式等工程參數(shù)對(duì)反應(yīng)均勻性的影響，精準(zhǔn)優(yōu)化了流體力學(xué)條件，確保了分子間碰撞與反應(yīng)效率在宏觀尺度下不衰減。其次是高鹽復(fù)雜體系中的固液分離效能難題。高鹽環(huán)境對(duì)水中顆粒物的界面性質(zhì)與聚集行為有較大的影響，針對(duì)不同行業(yè)廢水（如制革、焦化、石化）的水質(zhì)特性，通過調(diào)控藥劑分子結(jié)構(gòu)與改進(jìn)分離設(shè)備，從而確保最終出水清澈與系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。基于中試獲取的全部數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，形成了標(biāo)準(zhǔn)化工藝包與設(shè)備模塊，為實(shí)現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，完成了從科研成果到工業(yè)技術(shù)的蛻變。

四、創(chuàng)新示范工程建設(shè)模式：為成果推廣應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

實(shí)驗(yàn)室研究工作的成功與中試平臺(tái)的驗(yàn)證，為科技成果轉(zhuǎn)化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，但我們?nèi)悦媾R著如何將其推向首個(gè)規(guī)模化示范工程的關(guān)鍵抉擇。傳統(tǒng)的技術(shù)轉(zhuǎn)化模式無外乎課題組自行運(yùn)營(yíng)或直接將技術(shù)轉(zhuǎn)讓給企業(yè)使用。然而，我們深刻認(rèn)識(shí)到，一項(xiàng)全新技術(shù)的推廣，不僅需要技術(shù)本身的穩(wěn)健，更需要一個(gè)能承載其獨(dú)特性、抵御早期風(fēng)險(xiǎn)、有強(qiáng)大執(zhí)行力的組織載體。為破解這一瓶頸問題，我們創(chuàng)新性地采用了校企風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)、利益共享的合作模式，與一家具有前瞻性的行業(yè)龍頭企業(yè)共建了日處理300噸廢水的示范工程。由合作企業(yè)提供完整的應(yīng)用場(chǎng)景、工程建設(shè)配套資金及日常運(yùn)營(yíng)保障，我方技術(shù)團(tuán)隊(duì)則提供全流程技術(shù)方案、核心藥劑及系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化。作為對(duì)合作企業(yè)前期投入的回報(bào)，我們約定在示范工程成功運(yùn)行后，合作建立成果推廣應(yīng)用公司，將企業(yè)的前期投入折算為相應(yīng)股權(quán)。該利益共同體運(yùn)行模式，使示范工程建設(shè)得以高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

示范工程建設(shè)旨在攻克中試技術(shù)向規(guī)模化工程放大過程中面臨的三大挑戰(zhàn)：一是在真實(shí)水質(zhì)波動(dòng)下的技術(shù)可靠性；二是在連續(xù)、長(zhǎng)周期運(yùn)行下的系統(tǒng)穩(wěn)定性；三是在綜合成本核算下的經(jīng)濟(jì)可行性。為此，我們對(duì)該300噸/日示范線進(jìn)行了超過180天的連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)及過程優(yōu)化。結(jié)果顯示，針對(duì)制革二沉池出水原本難以循環(huán)利用的問題，該技術(shù)處理后出水COD持續(xù)低于50mg/L，達(dá)到循環(huán)利用的要求。裝置抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，在面對(duì)企業(yè)生產(chǎn)波動(dòng)帶來的水量、水質(zhì)變化時(shí)，系統(tǒng)均能快速調(diào)節(jié)并保持出水水質(zhì)穩(wěn)定。經(jīng)核算，噸水處理成本與傳統(tǒng)膜處理工藝相比，具有顯著競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，成本節(jié)約40%以上。

過程示范線的成功穩(wěn)定運(yùn)行，證明了分子捕捉技術(shù)已完全具備規(guī)模化工程應(yīng)用的條件。經(jīng)行業(yè)權(quán)威專家現(xiàn)場(chǎng)考察、鑒定，一致認(rèn)定：“該分子捕捉處理技術(shù)針對(duì)高鹽制革廢水中有機(jī)物及絡(luò)合態(tài)重金屬去除難題，理念新穎、技術(shù)先進(jìn)、成套性強(qiáng)，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。”同時(shí)，專家組對(duì)我們所采用的產(chǎn)學(xué)研融合模式給予了肯定。示范工程的成功運(yùn)行，打消了潛在用戶與投資方對(duì)這一全新技術(shù)的疑慮，為后續(xù)成立科技公司進(jìn)行市場(chǎng)化推廣掃清了障礙。

五、打造產(chǎn)學(xué)研用閉環(huán)：促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用

技術(shù)通過示范工程的嚴(yán)苛驗(yàn)證和過程再優(yōu)化，完成了從原始技術(shù)創(chuàng)新到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)的過渡。而要讓這項(xiàng)技術(shù)成為有生命力的商品，進(jìn)而成長(zhǎng)為具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)，則必須依賴一個(gè)設(shè)計(jì)科學(xué)的產(chǎn)業(yè)化載體——即一家權(quán)責(zé)清晰、分工明確的現(xiàn)代化科技公司。實(shí)際上，我們前期探索的示范工程創(chuàng)新建設(shè)模式，已經(jīng)瞻性的為科技公司的組建奠定了基礎(chǔ)。依據(jù)開展示范工程建設(shè)時(shí)的約定，對(duì)校企雙方的知識(shí)、資本、市場(chǎng)與管理這四大核心要素進(jìn)行價(jià)值認(rèn)定與權(quán)益分配，構(gòu)成了創(chuàng)辦科技公司的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，我們構(gòu)建了一個(gè)由技術(shù)發(fā)明團(tuán)隊(duì)、工程驗(yàn)證企業(yè)、地方政府產(chǎn)業(yè)基金及核心運(yùn)營(yíng)管理團(tuán)隊(duì)共同組成的創(chuàng)新共同體——浙江坤澤環(huán)境科技有限公司。其核心設(shè)計(jì)邏輯在于通過股權(quán)這一法律與利益紐帶，激勵(lì)各方發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，形成持續(xù)發(fā)展的強(qiáng)大合力，在成果轉(zhuǎn)化過程中努力探索和踐行專業(yè)分工與協(xié)同治理的理念。

在這一科學(xué)治理架構(gòu)的保障下，公司作為技術(shù)推廣應(yīng)用平臺(tái)，迅速將分子捕捉技術(shù)推向更為廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，并取得了顯著的實(shí)效。在油氣開采領(lǐng)域，針對(duì)高COD、高油、高硬度的壓裂返排液，采用分子捕捉技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，出水關(guān)鍵指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)到油田回注水標(biāo)準(zhǔn)，為水資源循環(huán)利用提供了可靠的技術(shù)方案。在煤化工領(lǐng)域，處理硫酸鈉濃水時(shí)，該技術(shù)有效去除了導(dǎo)致結(jié)垢和發(fā)色的有機(jī)污染物，使后續(xù)蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)的運(yùn)行效率提升逾30%，所得結(jié)晶鹽白度顯著提高，達(dá)到工業(yè)鹽標(biāo)準(zhǔn)。在印染領(lǐng)域，技術(shù)應(yīng)用于綜合廢水深度處理，出水COD穩(wěn)定低于30 mg/L，色度接近完全去除，可直接回用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗與綠色發(fā)展提供了關(guān)鍵支撐。此外，該技術(shù)在垃圾滲濾液、高濃度化工廢水、制藥廢水等多個(gè)難處理工業(yè)廢水領(lǐng)域，也已展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景與強(qiáng)大的市場(chǎng)潛力。

五、總結(jié)

分子捕捉技術(shù)的成功產(chǎn)業(yè)化，為多個(gè)行業(yè)解決高鹽廢水處理的難題提供了一條全新的技術(shù)路線，同時(shí)也讓我們探索了一條行之有效的科技成果的產(chǎn)業(yè)化路徑。我們將其總結(jié)為“科學(xué)驅(qū)動(dòng)-中試賦能-工程驗(yàn)證-產(chǎn)業(yè)反哺”的融合創(chuàng)新閉環(huán)模式，這一模式可能對(duì)科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展深度融合具有實(shí)踐參考價(jià)值。

原始技術(shù)創(chuàng)新從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)，需跨越多階段障礙。第一階段是問題導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)的科學(xué)探索，聚焦于新理論、新原理、新方法的突破，實(shí)現(xiàn)“從0到1”的原始創(chuàng)新。第二階段是原始技術(shù)的中試賦能，實(shí)現(xiàn)“從1到10”的風(fēng)險(xiǎn)化解和過程優(yōu)化，為技術(shù)熟化和產(chǎn)業(yè)資本進(jìn)入奠定基礎(chǔ)，是承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)驗(yàn)證和技術(shù)產(chǎn)品化的關(guān)鍵樞紐。第三階段是工程驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)“從10到100”的價(jià)值創(chuàng)造，該階段不僅是技術(shù)優(yōu)劣的試金石，更是商業(yè)模式的孵化器，合適的工程驗(yàn)證組織模式能為之后的科技成果的推廣應(yīng)用掃清障礙，實(shí)現(xiàn)從“樣品”到“產(chǎn)品”再到“商品”的最終跨越。第四階段是產(chǎn)業(yè)反哺，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的閉環(huán)，該階段構(gòu)建起一個(gè)需求牽引創(chuàng)新、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)業(yè)反哺科研的可持續(xù)發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)。

回顧分子捕捉技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化過程，我們深刻感受到：當(dāng)原始技術(shù)創(chuàng)新與嚴(yán)密的工程驗(yàn)證體系及符合市場(chǎng)規(guī)律的運(yùn)行機(jī)制通過合理的制度設(shè)計(jì)深度融合，科技創(chuàng)新就能爆發(fā)出驅(qū)動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展的巨大能量；科技成果轉(zhuǎn)化模式的創(chuàng)新，有助于激發(fā)更多科技工作者投身于產(chǎn)學(xué)研深度融合的創(chuàng)新實(shí)踐，推動(dòng)科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高水融合，切實(shí)為服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略需求與經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)力量。