石碧院士：以分子捕捉技術破解高鹽廢水治理難題——從科學發現到產業化的創新實踐

文章刊登于《中國科技產業》雜志

202512期“院士專論

水資源安全與水環境保護是生態文明建設的核心議題。高鹽廢水作為工業生產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、石油開采等行業的發展持續攀升，對土壤、地下水及近岸海域生態系統構成威脅。國家《“十四五”生態環境保護規劃》及《水污染防治行動計劃》明確將高鹽廢水深度處理列為重點攻堅領域。面對這一重大需求，我國環保科技領域的相關科研成果轉化效率顯著不足，大量實驗室技術止步于論文與專利，未能跨越從學術成果到產業應用的鴻溝。其深層癥結在于，許多原創技術因缺乏中試驗證和規模化放大的實證數據與成熟的工藝包，難以獲得產業資本的信任與投入，最終困于實驗室，無法服務于經濟主戰場。

一、高鹽廢水治理的國家需求與科技挑戰

隨著我國化工、輕工、機械制造等基礎工業的持續發展，其在保障經濟社會繁榮的同時，也產生了大量成分復雜、難處理的高鹽有機廢水。這類廢水的高效治理，已成為制約眾多行業綠色低碳轉型與可持續發展的“卡脖子”難題。在我國許多地區面臨水資源短缺的背景下，工業廢水的深度凈化與回用是開源節流的重要途徑。高鹽廢水因其鹽分含量高，回用難度極大。要實現真正的“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污染物，為后續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）和高有機物濃度（CODcr）的雙重特征，對環境構成了嚴重威脅。高鹽條件導致滲透壓升高，對傳統廢水生化處理系統中的微生物產生抑制作用，使得生化法這一經濟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“蒸發結晶”等傳統工藝，或面臨處理效率低、成本高昂的困境，或存在“結垢堵塞”“二次污染”等棘手難題。面對這一重大瓶頸問題，我們團隊通過系統研究，揭示了包括高鹽有機廢水、絡合態重金屬廢水等難處理廢水的共性癥結——污染物具有極強的親水性和化學穩定性，能夠與水分子形成牢固的水合層，從而持久穩定地存在于水體中，對依靠相分離機制（如沉淀、吸附、氣浮等）的傳統處理技術產生強烈抵抗。因此，要實現技術突破，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定態，促使其向疏水態或易分離態轉變”。這一關鍵科學問題的明確提出，成為我們團隊研發分子捕捉技術的原始起點，致力于通過基礎理論的創新推動工程技術的跨越。

二、技術突破：分子捕捉機制的創新與體系構建

課題伊始，我們聚焦于制革染整廢水中絡合態鉻難以達標排放這一行業共性難題。傳統堿沉淀法在處理該類廢水時效果有限，原因在于其難以清除有機配體（如檸檬酸、染料、聚合物）與鉻離子（Cr3?）所形成的高穩定性、強親水性絡合物。我們通過分子結構分析與溶液化學行為解析，發現其難治理的根本原因在于有機污染物分子表面富含強極性官能團（-COOH、-OH、-SO?H等），與水分子形成氫鍵網絡，從而賦予體系極高的溶解性與化學穩定性。按照傳統技術路線，需要通過強氧化等方法降解有機配體，從而強行拆解整個絡合物，而后再減法沉淀金屬離子，但其成本高昂且容易導致Cr3?轉變為環境風險較高的Cr6?。針對該難題，我們提出了新的治理思路，即通過引入分子捕捉劑，精準靶向封閉親水官能團，降低污染物的親水性，使其由水相自發地向固相遷移，從而實現了從“對抗”到“調控”的策略轉變。

基于上述思路，我們發展了分子捕捉處理技術，其科學內涵在于設計并合成具有特定分子結構的捕捉劑，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，快速降低其整體親水性。污染物-捕捉劑復合物因其表面疏水性的顯著增強，水合作用大幅削弱，進而通過疏水締合作用自發聚集、長大，形成穩定的疏水型沉淀物，最終通過常規固液分離方式被高效去除。

在解決制革廢水處理難題后，我們繼續投入大量的碩博士研究生，系統拓展該技術在焦化廢水、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廢水中的應用。大量實驗表明，盡管不同行業廢水污染物組成復雜多樣，但其難處理的共性根源在于其有機污染物分子結構中強親水官能團的存在。這一發現，將一項具體技術的開發上升至對一類共性科學問題的揭示。因此，我們構建了“結構分析-機理研判-定向開發”為一體的技術研發體系，首先精準解析廢水中關鍵污染物的分子結構特征，識別其親水核心，判斷其在水環境中保持高溶解度的主要作用力類型，據此理性設計并合成與之匹配的、具有特定功能基團和分子構型的定制化捕捉劑分子。憑借底層原理的突破，該技術顯示出優于傳統方法的核心競爭力，實現了從機理創新到實驗室技術的轉化。

三、中試驗證：技術熟化的核心步驟

中試驗證是科技成果轉化過程中至關重要的一環，它絕非實驗室技術的簡單放大，而是要在逼近真實的工況下，系統地識別、解析并攻克那些在燒杯中無從預見、卻足以決定技術產業化成敗的工程科學問題。我們的中試研究工作借助成都青白江中試產業基地開展，重點解決分子捕捉技術向規模化工程應用轉化過程中面臨的放大后反應不均勻和高鹽環境下反應物沉降性能較差兩大核心問題。

首先是宏觀尺度下的反應傳質難題。在實驗室的磁力攪拌器中，反應物可實現分子級別的均勻混合與高效傳質。然而，在數立方米乃至數十立方米的工程化反應器中，如何再現這一理想狀態，是保證反應效率與藥劑經濟性的關鍵。我們通過中試，系統探究了不同混合型式、流場分布、進水方式等工程參數對反應均勻性的影響，精準優化了流體力學條件，確保了分子間碰撞與反應效率在宏觀尺度下不衰減。其次是高鹽復雜體系中的固液分離效能難題。高鹽環境對水中顆粒物的界面性質與聚集行為有較大的影響，針對不同行業廢水（如制革、焦化、石化）的水質特性，通過調控藥劑分子結構與改進分離設備，從而確保最終出水清澈與系統穩定運行。基于中試獲取的全部數據和經驗，形成了標準化工藝包與設備模塊，為實現技術產業化應用奠定了堅實基礎，完成了從科研成果到工業技術的蛻變。

四、創新示范工程建設模式：為成果推廣應用奠定堅實基礎

實驗室研究工作的成功與中試平臺的驗證，為科技成果轉化奠定了技術基礎，但我們仍面臨著如何將其推向首個規模化示范工程的關鍵抉擇。傳統的技術轉化模式無外乎課題組自行運營或直接將技術轉讓給企業使用。然而，我們深刻認識到，一項全新技術的推廣，不僅需要技術本身的穩健，更需要一個能承載其獨特性、抵御早期風險、有強大執行力的組織載體。為破解這一瓶頸問題，我們創新性地采用了校企風險共擔、利益共享的合作模式，與一家具有前瞻性的行業龍頭企業共建了日處理300噸廢水的示范工程。由合作企業提供完整的應用場景、工程建設配套資金及日常運營保障，我方技術團隊則提供全流程技術方案、核心藥劑及系統調試與優化。作為對合作企業前期投入的回報，我們約定在示范工程成功運行后，合作建立成果推廣應用公司，將企業的前期投入折算為相應股權。該利益共同體運行模式，使示范工程建設得以高效運轉。

示范工程建設旨在攻克中試技術向規模化工程放大過程中面臨的三大挑戰：一是在真實水質波動下的技術可靠性；二是在連續、長周期運行下的系統穩定性；三是在綜合成本核算下的經濟可行性。為此，我們對該300噸/日示范線進行了超過180天的連續運行監測及過程優化。結果顯示，針對制革二沉池出水原本難以循環利用的問題，該技術處理后出水COD持續低于50mg/L，達到循環利用的要求。裝置抗沖擊負荷能力強，在面對企業生產波動帶來的水量、水質變化時，系統均能快速調節并保持出水水質穩定。經核算，噸水處理成本與傳統膜處理工藝相比，具有顯著競爭優勢，成本節約40%以上。

過程示范線的成功穩定運行，證明了分子捕捉技術已完全具備規模化工程應用的條件。經行業權威專家現場考察、鑒定，一致認定：“該分子捕捉處理技術針對高鹽制革廢水中有機物及絡合態重金屬去除難題，理念新穎、技術先進、成套性強，整體技術達到國際領先水平。”同時，專家組對我們所采用的產學研融合模式給予了肯定。示范工程的成功運行，打消了潛在用戶與投資方對這一全新技術的疑慮，為后續成立科技公司進行市場化推廣掃清了障礙。

五、打造產學研用閉環：促進科技成果轉化應用

技術通過示范工程的嚴苛驗證和過程再優化，完成了從原始技術創新到產業化應用技術的過渡。而要讓這項技術成為有生命力的商品，進而成長為具有市場競爭力的產業，則必須依賴一個設計科學的產業化載體——即一家權責清晰、分工明確的現代化科技公司。實際上，我們前期探索的示范工程創新建設模式，已經瞻性的為科技公司的組建奠定了基礎。依據開展示范工程建設時的約定，對校企雙方的知識、資本、市場與管理這四大核心要素進行價值認定與權益分配，構成了創辦科技公司的基礎。在此基礎上，我們構建了一個由技術發明團隊、工程驗證企業、地方政府產業基金及核心運營管理團隊共同組成的創新共同體——浙江坤澤環境科技有限公司。其核心設計邏輯在于通過股權這一法律與利益紐帶，激勵各方發揮其獨特優勢，形成持續發展的強大合力，在成果轉化過程中努力探索和踐行專業分工與協同治理的理念。

在這一科學治理架構的保障下，公司作為技術推廣應用平臺，迅速將分子捕捉技術推向更為廣闊的應用市場，并取得了顯著的實效。在油氣開采領域，針對高COD、高油、高硬度的壓裂返排液，采用分子捕捉技術進行預處理，出水關鍵指標穩定達到油田回注水標準，為水資源循環利用提供了可靠的技術方案。在煤化工領域，處理硫酸鈉濃水時，該技術有效去除了導致結垢和發色的有機污染物，使后續蒸發結晶系統的運行效率提升逾30%，所得結晶鹽白度顯著提高，達到工業鹽標準。在印染領域，技術應用于綜合廢水深度處理，出水COD穩定低于30 mg/L，色度接近完全去除，可直接回用于生產環節，為企業實現節能降耗與綠色發展提供了關鍵支撐。此外，該技術在垃圾滲濾液、高濃度化工廢水、制藥廢水等多個難處理工業廢水領域，也已展現出廣闊的應用前景與強大的市場潛力。

五、總結

分子捕捉技術的成功產業化，為多個行業解決高鹽廢水處理的難題提供了一條全新的技術路線，同時也讓我們探索了一條行之有效的科技成果的產業化路徑。我們將其總結為“科學驅動-中試賦能-工程驗證-產業反哺”的融合創新閉環模式，這一模式可能對科技創新與產業發展深度融合具有實踐參考價值。

原始技術創新從實驗室走向市場，需跨越多階段障礙。第一階段是問題導向驅動的科學探索，聚焦于新理論、新原理、新方法的突破，實現“從0到1”的原始創新。第二階段是原始技術的中試賦能，實現“從1到10”的風險化解和過程優化，為技術熟化和產業資本進入奠定基礎，是承擔風險驗證和技術產品化的關鍵樞紐。第三階段是工程驗證，實現“從10到100”的價值創造，該階段不僅是技術優劣的試金石，更是商業模式的孵化器，合適的工程驗證組織模式能為之后的科技成果的推廣應用掃清障礙，實現從“樣品”到“產品”再到“商品”的最終跨越。第四階段是產業反哺，實現可持續發展的閉環，該階段構建起一個需求牽引創新、創新驅動產業、產業反哺科研的可持續發展生態系統。

回顧分子捕捉技術的產業化過程，我們深刻感受到：當原始技術創新與嚴密的工程驗證體系及符合市場規律的運行機制通過合理的制度設計深度融合，科技創新就能爆發出驅動高質量發展的巨大能量；科技成果轉化模式的創新，有助于激發更多科技工作者投身于產學研深度融合的創新實踐，推動科技創新與產業發展的高水融合，切實為服務國家戰略需求與經濟社會高質量發展貢獻力量。