【原】【大家之言】水基础科学与水处理技术应用领域交叉研究的前景与思考

本期导读

胡钧

中国科学院上海应用物理研究所研究员

中国科学院上海应用物理研究所研究员，所学术委员会常务副主任，中国科学院微观界面物理与探测重点实验室主任，国家杰出青年科学基金获得者。主要以纳米显微镜和纳米操纵技术为基础，在纳米尺度和单分子水平上，开展纳米生物学和界面水科学的研究。同时兼任上海市净水技术学会副理事长、《净水技术》杂志编委。

理论上说，水资源相对匮乏或水环境污染较严重的国家， 其水处理技术的进步与革新更容易被推动，例如以色列和新加坡等国。由于水问题的特殊性，不同国家对水处理技术创新有不同的需求，中国幅员辽阔，气候和水文条件各异，不同地区都遭遇了不同情况的水问题，但我国水处理技术创新的步伐却相对缓慢，究其原因，与水科学基础研究的脱钩不无关系。基础研究和应用领域的关系就如同金字塔塔底与塔尖的关系，如果不能形成扎实的基础，一味追求应用领域的进步就如同空中楼阁；但反言之，如果应用领域无法为基础研究提出需求、指明方向，基础研究就略显盲目、无的放矢。如何消除基础研究和应用领域的壁垒，形成领域交叉和学科交叉的共同发展模式，将是现阶段我国水行业专家和学者需要共同讨论的问题。

1.领域交叉研究的思想和背景

早在2007年， 在中国科学院上海应用物理研究所召开了一次国际水科学学术会议，与会的国内外专家就微观水分子结构和界面水的研究进行了激烈的争论和深入的探讨。会后，不少国内学者纷纷表达了“水的微观性质研究非常有意义，对解决宏观问题也有很好的借鉴作用，但为何国内对这项研究的投入相对较少”的观点，在经过一系列的探讨和讨论后， 国际著名的界面水研究专家（美国科学院院士）沈元壤教授和中国科学院的一些学者提出了“中国水环境问题应当得到重视，水科学基础研究应当被作为国家重点战略进行部署”的倡议。

此后，中科院开始逐步启动水科学的基础研究工作，国家自然基金委员会也设立了水科学的重大研究项目，在不少领域里也取得了一定的成果和突破，但是由于缺乏与应用领域的深度交流，水科学基础研究虽然得以不断深入和推进，尚无法对目前的水处理技术创新提供直接支撑，其中一个原因是对于应用领域中遇到的实际问题，基础研究领域知之甚少。基于此现状，中科院的杨国桢院士和一些专家目前正在组织草拟一份关于“中国水科学发展战略”的规划建议，期待促进领域交叉，让水基础研究为水处理技术的应用领域服务。

2.领域交叉研究的重要性

当前水科学基础研究的重要内容即关于微观水分子结构（主要指氢键网络）和界面水性质的研究。现有的研究结果表明，在固液界面、气液界面上，水的物理性质和化学性质往往与宏观状态下水的性质不同，从而产生了很多在宏观层面中观察不到的现象。

以膜过滤为例^[1,2]，宏观上认为：膜过滤即通过膜孔径来控制过滤的分子粒径，大分子被截留，小分子得以通过，膜通量的提升主要是通过改变跨膜压差得以实现。但是在界面水的研究中发现，单分子水链可以以很快的流速通过膜孔径，从而能实现在膜孔径更小的情况下，得到较大的通量。在现有的研究工作中，的确发现了一种碳纳米管膜，能使通过碳纳米管膜的水形成单分子链，快速通过膜孔，但碳纳米管膜的工程化应用仍存在较大困难，主要是其装置的组装还有待进一步开发。由此，不妨大胆假设：如果通过水基础研究，进一步探索单分子水链的形成机理和条件，并指导应用领域通过工程化手段来实现单分子水链的形成，这项工作必然具有非常大的研究意义和价值，或许能为膜技术发展带来新的技术革新。

又以膜污染为例^[3]，传统概念上疏水性膜材料相比较于亲水性膜材料，更容易吸附固体颗粒，造成膜污染。但是在界面水研究中却发现，膜污染的情况并不完全符合传统认知的规律，亲水性膜材料的抗污染性能未必真如想象中那么出色。由于水分子在固液界面的性质尚未完全研究透彻，宏观意义上材料界面的亲疏水性质在微观尺度上完全可能反转，因此不能简单地将宏观亲／疏水性作为膜材料抗污染能力的准则，对于最佳抗污膜材料的研究，应当结合界面水性质的深入研究着手，进一步探索。简而言之，如果没有基础领域的更深入研究，对于膜材料的优化和探索也必然将遭遇瓶颈，例如MBR始终存在的通量小、抗污染性能差的问题将很难得到根本性的改善。

3.领域交叉研究的几个研究方向

3.1、纳米气泡

在宏观领域，很少有人会认同纳米气泡的存在。传统认知上， 由于纳米气泡尺寸极小^[4]，外部水压必然远远大于气泡内部压力，会使得纳米气泡极不稳定，在水中快速爆裂，然而在水科学基础研究中却发现纳米气泡的存在，并具有极高的稳定性。纳米气泡的发现立刻在界面水科学基础研究领域形成了一股热潮，也引起了应用领域中很多专家的兴趣，目前已在医学、农业等领域得到了工程应用。

在水处理技术应用领域，传统工程都采用大孔径气泡对水体进行曝气和充氧^[5]。大孔径气泡的自身浮力较大，会快速浮出水面，与水体有限的接触时间极大限制了气泡溶氧的效率，并且过高的气体逸失率也会带来工程能耗的浪费。然而自纳米气泡的存在被初步证实后，研究发现纳米气泡由于其稳定性，在水体中滞留时间非常长，并具有很好的扩散性。不妨大胆假设：如果对纳米气泡在水处理中的应用加以研究，或许会对提升水厂处理效果、降低综合能耗具有非常重要的作用。

3.2、纳米检测技术

水体中有机物、无机物及生物分子可以被物理技术识别，并转化成化学或光电信号。目前，化学／生物传感器作为主流传感技术，已广泛应用于水质检测中，特别被应用于在线检测和快速水质检测中^[6]，但有不少技术人员发现，在线和快速水质检测设备的准确性不稳定， 这从宏观层面上无法得到解释。

近年来，传感器的基础研究表明，化学／生物传感器的信号转化过程基本都发生在纳米和分子尺度，也就是所谓的“纳米检测”^[7]。然而分子链在接收元件中的分布不均匀、传感器材料的亲疏水性等都会对生物分子的吸附和特异相互作用带来影响，甚至纳米气泡的存在也会直接影响传感器对信号的转化，从而影响水质在线快速检测的结果准确性。因此不难想象，如果在微观研究领域能够找到对上述影响因素的规避方法，将大大提高纳米检测技术的准确性，从而使其不仅仅在疾病检测领域、环境水体水质检测，甚至在检测精度要求更高的饮用水领域，具备更广阔的应用空间。更重要的是，其简单、快速、准确的特性会为其在家庭使用的普及带来更多机遇。

3.3、纳米管网材料

纳米管网材料的设想，源自包括上海在内的很多城市自来水中有氯味的现象。自来水中余氯的存在，对自来水在管网输送过程中的水质安全起到至关重要的保障作用，但与之相对的是，氯味的存在会大大影响自来水的口感，影响居民对自来水水质的评价。

溯其源，余氯的存在主要是防止细菌在管网中繁殖，传统管壁材料恰恰是细菌滋生的主要原因之一。近几年纳米科技领域的进展表明，细菌的吸附与生长，跟固液界面纳米尺度性质相关，许多纳米材料对防止细菌吸附和抑制细菌生长有良好的效果。采用纳米技术对固体表面进行抗菌处理在很多领域已经得到应用，未能应用于管网改造的最主要原因在于成本。如果能通过水科学基础研究，对界面水的性质进行更深入的分析，结合纳米技术，寻找出一种成本低廉又能够抑制菌群吸附的纳米材料和工艺，这也可能是水基础研究领域和应用领域的重要交叉点之一。

4.领域交叉研究的前景

上述所列举的各项案例仅仅是目前水科学基础研究过程中，主动思考后发现的在领域交叉点中的一小部分。事实上，仍然有大量可结合、可互通的交叉点有待发现和解决，例如日常瓶装饮用水的容器可否通过材料表面纳米性质的研究和改善，防止有毒有害物质向水中析出等。

事实上，水科学是一门跨学科、跨领域性非常突出的综合交叉学科，推动水科学进步、推动水处理技术的革新，尤其需要多领域、多学科的高效沟通和思维碰撞。然而目前阻碍“领域交叉”的最大壁垒主要在于基础研究和应用研究的界限过于明确，彼此对对方的研究内容和发展方向不甚明确，从而导致在实际应用中遇到的问题并未想到通过基础研究来解决，而基础研究也无法得到应用领域的需求导向，造成了双方各自为战，却又进展缓慢。

另一点需要指出的是，中国在科学技术领域的研究，跟从比较多、原创较少。水科学技术是一个特殊的领域，不能一味采取“跟从策略”。由于美国、欧洲和日本不怎么缺水、水污染问题也不严重，因此水问题不是发达国家的主要问题，而水科学也不是发达国家重视的领域。值得欣慰的是，自2007年以来，以水的微观性质为代表的基础研究已越来越受到国家有关层面的重视，中国科学院通过连续的项目支持在水的微观性质方面也取得了一定的成果，中国科学家在一些具有争议的水科学重大问题上形成了自己的独特观点并得到实验证实，部分研究领域已开始展示出国际影响力，一些已知的应用领域的问题也被发现的确需要通过基础研究来寻求解决办法。然而目前，应用层面还存在很多无从下手的技术难题，这就需要科学界与工程技术界多多交流，才能产生更多的实际解决方法。