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895｜罗建泉：膜术师是怎样练成的？｜中国科学院过程工程研究所｜格致SELF

欢迎订阅我的频道，https://bit.ly/3tnM6wI ，佛系上新😊 作为一名“膜法师”，我希望不消耗任何化学品，把黑糊糊的甘蔗汁变成优质白糖 我们一开始觉得应该很容易，结果在调试的第一天系统就崩溃了，几万块就这么打了水漂。 大家好，我是罗建泉，一名来自中国科学院过程工程研究所的“膜术师”。不过抱歉，我不能像刘谦一样给大家变个魔术，只是因为我是研究膜技术的老师，所以简称“膜术师”。 说到膜，大家比较熟悉的应该是细胞膜。中学生物老师教过，今天我陪大家复习一下。细胞膜是由磷脂双分子层组成的，上面有很多转运蛋白，具有选择性屏蔽和透过的功能。 我研究的分离膜其实跟细胞膜有类似的功能。它能够像筛子一样，让一些物质透过，让一些物质不透过。因此，我们将膜定义为两相之间具有选择透过性的屏障。 那膜长什么样呢？大家可以看看。是不是就像A4纸一样？如果拿一张A4纸和一张膜放一起，其实看不出区别，所以很容易买到假冒伪劣商品。 在显微镜下看，它其实是这样子的。以反渗透和纳滤膜为例。它具有三层的结构，最下面是聚酯的支撑层，中间是聚砜高分子层，它们都起到支撑的作用。 我们再用电子显微镜去看它们表面的超薄分离层。是不是什么也看不到？因为它们的孔是纳米级的。 它的截面长这样，制备方法不同，它的结构就会不一样。 使用的时候膜是卷起来的，就像这样。如果家里的净水器坏了，或者说要换膜，可以把它拆下来看一看，就是这个样子。 相比于精馏、干燥、蒸发、萃取这些分离技术，膜分离技术的能耗更低、效率更高，并且是一个纯物理分离的技术，也就是说它不会改变物质本身的性质。因此在食品加工、药物纯化、废水处理、海水淡化等领域，膜都有广泛的应用。特别是大家喝的果汁、纯净水，都可以利用我们的膜技术来除杂。 我到佛山打酱油 我与膜技术的第一次接触是在2006年，到现在已经十几年了。我当时的硕士课题叫《酱油纳滤脱盐的研究》。 这个名字听着是不是特别奇怪，所以很多人就会问我，为什么要做酱油脱盐？其实酱油中含有高达20%的盐分，如果我们能在保持风味物质的同时将一部分盐去掉，就可以让一些需要控盐的比如肾病的病人来享受美食了。简单来说，这就是将酱油里面的氨基酸和作为食盐的氯化钠分开。 酱油的主要风味物质是氨基酸态氮，它是酱油品级和价格的重要指标。大家去超市买酱油的时候，可以看一下这个指标，它通常是和价格相关的，这样就不会被忽悠了。 这个课题其实在当时是一个非常小众和冷门的课题。十几年过去了，酱油还是这个酱油，但是纳滤已经不是这个纳滤了。为什么要用纳滤膜去做酱油脱盐呢？我们的膜技术有非常多种类，今天我仅给大家介绍以膜孔径来分类，一共有四种：微滤、超滤、纳滤、反渗透。 微滤膜的孔大概是在0.1微米到10微米，可以用来去除细菌、悬浮颗粒，就跟我们戴的口罩起到的作用差不多。超滤膜大概是在100纳米以下的孔径，可以去除病毒、蛋白质。 而纳滤膜的孔径在2纳米以下，它可以截留小分子有机物和二价离子，透过单价离子。这时候我们就可以选择一张具有合适孔径并且带电荷的纳滤膜，然后利用它尺寸的排斥作用以及静电的排斥作用，让氨基酸截留下来，让食盐透过，这样就实现了酱油脱盐。 而反渗透膜的孔径更小，才零点几个纳米，可以去除几乎所有的盐离子，透过纯净水。大家家里的净水器基本上用的都是反渗透膜，这也是目前我国海水淡化的一个主流技术。 课题有了，我们就在实验室开始做起来。这个装置看上去非常古老、非常简单，我们的膜就只有插座大小，放在过滤器里面，利用我们的压力泵将进样柱里的酱油压到过滤器里面，出来的就是食盐了。除去盐水，里面留下的就是低盐酱油，是不是非常简单？ 这个里面科技含量最高的东西就是我们的纳滤膜，要控制膜的孔径和电荷其实是一件非常具有挑战性的事。 当时是2006年，国产的膜基本上还不能用，所以我们写信给国外的公司，让他们给我们一些免费的样品。他们非常大方，第二天就空运过来了。但是当我们再想买膜的时候，价格就非常贵了。现在十几年过后，我们国产膜已经完全可以媲美进口产品了。 后来导师说：“小罗，你和师兄到广东佛山的酱油厂做中试吧。”然后就带我来到一个超大的箱子前面。当我看到这台庞然大物时非常蒙圈，完全不知道这是什么东西。所以在南下广东的绿皮火车上，我就拿着一本从展会上顺来的“膜法宝典”，开始了我的“膜术师”速成学习。 但是，书本上的知识和现实总是有差距的。我们刚开始做中试的时候，设备总是发热停机，我们一群博士也束手无策。突然我想到我爸是电工，就打电话给我爸问这是什么原因造成的。我爸非常简单地说，就是压力泵的零线和火线接反了，结果果然是这样的。如果当时我爸在现场的话，我们肯定会对他顶礼膜拜。 就这样，我的课题从实验室到了广东佛山高明区的酱油厂里。这是全球最大的一个调味品工厂，里面有永远打不完的酱油。 但是在工厂我发现，我们原来在实验室非常小心翼翼像神一样供着的这个膜，在工人眼里却就像普通的筛网一样。对他们来讲，工厂里面任何东西的发明都是以解决问题为导向。能以低成本解决问题并且能稳定运行的技术，就是好技术。 所以这也让我意识到，一项好技术的评判标准并不是说它的理论有多炫酷，性能有多好，而是有多稳定。 我们的膜技术也给酱油厂带来很多改变。当时工厂只能做黑糊糊的酱油，但是我们的膜技术能够让酱油变得更清亮，沉淀更少，货架期更长，还能制备出不同的颜色和不同的含盐量的酱油，来满足不同的市场需求。 我们当时为了做试验，都推着小车从发酵罐里打酱油，每天来回好几趟。虽然当时酱油厂的饭菜非常好吃，酱油是永不限量的。但是因为当时周围还刚开发，实在是太荒凉了。 所以过了半个月以后，我就像《甲方乙方》电影里那个把村里的鸡都吃光的有钱人，每天在村口等着来接他的那个人，想着导师赶紧打电话叫我回去吧。 回到北京以后，吃了一两周学校的食堂，我就开始怀念酱油厂的饭菜了。然后我就和师兄又一起南下广西、北上内蒙古，去做补血剂的脱盐、医药中间体的脱盐试验以及全氟辛酸废水资源化的中试。这些中试的结果也成为我博士论文的一部分内容。 中试的结果非常好，但是最后实现工业化运行的其实也就两个项目，一个是酱油精制，另一个是全氟辛酸废水回收。 所以大家可以想象，一个实验室的技术能走向工业化是非常非常困难的。我也非常遗憾地缺席了这个过程，因为我做完中试以后就出国了，去欧洲的法国和丹麦继续学习膜技术。在欧洲待了5年多以后，我又回到了中国科学院过程工程研究所，身份从学生变成了老师。 在最甜的车间干最苦的活 回国后，领导交给我的第一个大项目，是做“膜”法绿色制糖。当时我心想，以前打酱油，现在做白糖，这样“白＋黑”好像有点不太“高大上”。 然后领导跟我说，我国的甘蔗产量是每年1.2亿吨，其实这是一个千亿级的市场。这么一说，好像有点“高大上”了。 甘蔗制糖其实是一个非常传统的行业，目前用到的亚硫酸法制糖有百余年的历史。它是先采摘甘蔗，然后压榨成汁，再往里面添加石灰、磷酸、絮凝剂、硫磺等化学试剂，通过化学反应和物理沉淀将其清净，最后蒸发、浓缩、结晶、分离、干燥，制成白砂糖 👇🏽歡迎嘗試我頻道裡的其他影片👇🏽 通信：   • 通信   人工智能：   • AI·人工智能   航天：   • 航天   宇宙：   • 宇宙   教育：   • 教育   少年中国：   • 少年中国   植物：   • 中国科学院植物研究所   生物：   • 生物   心理：   • 心理   医学：   • 医学   生态：   • 医学   环境：   • 环境   药学：   • 药学   数学：   • 数学   物理：   • 物理   化学：   • 化学   艺术：   • 艺术   摄影：   • 摄影   传媒：   • 传媒   考古：   • 考古   恐龙：   • 恐龙   地震：   • 中国科学院地质与地球物理研究所   诺贝尔奖：   • 诺贝尔奖   工程：   • 工程   音乐：   • 音乐   建筑：   • 建筑   能源：   • 能源   #中科院 #格致论道 #科学 #科普 #知识 #知识科普 #格致論道 #科學 #知識 #知識科普 #教育 #self