每年，全球海鮮加工產(chǎn)業(yè)會產(chǎn)生約6萬噸魷魚骨廢棄物，它們或被填埋、或被丟棄，既污染環(huán)境又浪費(fèi)資源。與此同時，傳統(tǒng)水凈化膜技術(shù)正面臨“兩難困境”——要么通量低、過濾慢，要么截留率不足，難以應(yīng)對納米塑料、超細(xì)染料分子等新興污染物，且制備成本高、碳足跡大。
如今，這兩大難題被青島科技大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院教授張建明團(tuán)隊(duì)一舉破解。日前，這一科學(xué)家團(tuán)隊(duì)讓海鮮垃圾變身新型環(huán)保材料，他們將餐桌上常見的魷魚骨"變廢為寶"，提取出直徑為1.2納米的超細(xì)β-甲殼素天然纖維，將這種超級材料制成濾膜，其突破性成果發(fā)表在國際頂級期刊《先進(jìn)材料》。
《先進(jìn)材料》審稿專家評價：“這項(xiàng)成果不僅刷新了水凈化膜的性能極限，更為全球可持續(xù)水處理技術(shù)構(gòu)建全新標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而為全球水污染治理難題，提供了成本可控、易于普及的綠色解決方案。”
魷魚骨制成的濾膜
破局：從廢料富礦到凈水新材
“當(dāng)我們將視線聚焦于魷魚骨這一海鮮加工廢棄物時，我們萌生的最初的想法——能否讓‘無用的垃圾’變成‘有用的寶貝’，成為解決水污染難題的關(guān)鍵材料？”在接受《中國科學(xué)報》采訪時，張建明道出了團(tuán)隊(duì)研究的初心。他提到的“寶藏”，正是自然界中儲量豐富卻長期被忽視的“資源富礦”——甲殼素。
作為自然界第二大豐富的高分子聚合物，甲殼素廣泛存在于蝦蟹殼、魷魚骨等海洋生物廢棄物中，全球年產(chǎn)量約10億噸，但其利用率不足10%，大量廢棄物通過填埋或丟棄，不僅造成資源浪費(fèi)，更成為環(huán)境污染的重要源頭。
研究的首次關(guān)鍵轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在團(tuán)隊(duì)對魷魚骨結(jié)構(gòu)的深入研究中。團(tuán)隊(duì)核心成員、青島科技大學(xué)博士黃莎莎在分析魷魚骨分子結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)，其含有的β-甲殼素具有獨(dú)特的平行鏈分子排列，這種結(jié)構(gòu)使得通過氧化剝離工藝，極易提取高質(zhì)量納米纖維。
這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)讓團(tuán)隊(duì)眼前一亮，隨即開始展開測試。
當(dāng)?shù)谝淮慰吹皆恿︼@微鏡的測試結(jié)果時，黃莎莎激動不已，難掩震撼：“從魷魚骨中高效提取出的甲殼素納米天然纖維，它的直徑竟然細(xì)至1.2納米，相當(dāng)于我們?nèi)祟愵^發(fā)絲的六萬分之一！”
“這種精細(xì)度仿佛是自然界親手設(shè)計(jì)打造出‘精密工程’，遠(yuǎn)超我們的預(yù)期目標(biāo)。”這一發(fā)現(xiàn)讓團(tuán)隊(duì)意識到，魷魚骨不僅是廢棄物，更是一座未被開發(fā)的“資源富礦”。張建明感慨：“我們不能再局限于提取纖維，必須找到它的核心應(yīng)用價值。”
彼時，全球水凈化膜技術(shù)正陷入“兩難”：傳統(tǒng)膜材料要么通量低、過濾慢，難以滿足高效處理需求；要么截留率不足，對納米塑料、超細(xì)染料分子等新興污染物束手無策。與此同時，國際市場依賴的絲素、合成材料等存在成本高、可持續(xù)性差等問題，而國內(nèi)水資源短缺與污染治理的雙重壓力，更讓生物基低成本高性能膜材料的研發(fā)成為迫切需求。
“一邊是堆積如山的海洋廢棄物，一邊是亟待突破的技術(shù)瓶頸，這不就是‘變廢為寶’的最佳場景嗎？”黃莎莎指出。團(tuán)隊(duì)迅速明確研究方向：以魷魚骨β-甲殼素納米纖維為原料，開發(fā)兼具高通量與高截留率的超滲透水凈化膜。這一路徑不僅契合循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，更直擊行業(yè)“通量-截留率平衡”“成本控制”等核心痛點(diǎn)。張建明在辦公室
攻堅(jiān)：刷新凈水膜性能極限
團(tuán)隊(duì)的進(jìn)一步科研突破，始于對β-甲殼素分子結(jié)構(gòu)的深度挖掘。
團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，魷魚骨中的β- 甲殼素不僅儲量豐富，其獨(dú)特的分子鏈結(jié)構(gòu)可通過過硫酸銨（APS）氧化剝離工藝，激活負(fù)電荷網(wǎng)絡(luò)，使制備的水凈化膜孔隙率提升至 74.8%，為水分子搭建起 “超高速過濾通道”，從原理上解決了傳統(tǒng)膜 “通量與截留率難以平衡” 的技術(shù)癥結(jié)。
然而，這一科研路程并非一帆風(fēng)順。
在早期的真空過濾實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)僅僅固定了甲殼素納米纖維濃度與過濾時間，忽視了膜厚度對性能的梯度影響，這使得制備的濾膜要么因厚度不足導(dǎo)致纖維排列松散，截留率不達(dá)標(biāo)；要么因厚度過厚壓縮孔隙，導(dǎo)致通量驟降，性能始終無法突破。
“那段時間，我們?nèi)w扎根實(shí)驗(yàn)室，反復(fù)優(yōu)化參數(shù)，但數(shù)據(jù)始終沒有起色。”黃莎莎談起那段煎熬的時期，仍能感受到當(dāng)時大家的落寞。
黃莎莎在實(shí)驗(yàn)中
2024 年，青島科技大學(xué)青年教師李柏霄博士的加入為團(tuán)隊(duì)帶來新的突破思路。他通過梳理海量實(shí)驗(yàn)記錄與掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，在組會上提出關(guān)鍵問題：“膜厚度并非簡單的‘薄厚’選擇，而是調(diào)控孔隙分布與流體動力學(xué)特性的核心變量。”
這一觀點(diǎn)點(diǎn)醒了團(tuán)隊(duì)，隨即設(shè)計(jì)了“厚度梯度實(shí)驗(yàn)”。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人振奮——這種厚度僅為0.124微米的濾膜，在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，每平方米面積每小時能過濾出46207升純凈水，同時能100%攔截直徑小至100納米的塑料微粒。而厚度為1.8微米的濾膜，對尺寸僅1.5納米、約為新冠病毒尺寸的 1/50的羅丹明B染料分子截留率仍保持 99.2%。
更值得關(guān)注的是，經(jīng)國際認(rèn)證的全生命周期評估（LCA）與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（TEA）雙重驗(yàn)證：該濾膜展現(xiàn)出驚人的"低成本-高環(huán)保"特性——僅需約1/3枚一元硬幣重量的6克魷魚骨即可制備出14000張僅為銀行卡面積1/3的17平方厘米的濾膜。每張濾膜生產(chǎn)全程僅排放619毫克二氧化碳，相當(dāng)于手機(jī)充電1秒鐘的碳排放量。研究證實(shí)，這項(xiàng)技術(shù)不僅在過濾性能上碾壓現(xiàn)有商用產(chǎn)品，更在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了"零成本原料+負(fù)碳排生產(chǎn)"的經(jīng)濟(jì)可行性與環(huán)境友好性突破。
李柏霄在實(shí)驗(yàn)室
賦能：提供革命性綠色解決方案
“這項(xiàng)研究的核心突破，在于構(gòu)建了‘生物廢物驅(qū)動膜技術(shù)’的創(chuàng)新體系。”張建明指出，“傳統(tǒng)膜材料主要依賴石油基聚合物，生產(chǎn)過程能耗高且碳排放量大。而我們以海鮮加工廢棄物為原料，通過生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)，同步實(shí)現(xiàn)了廢棄物資源化利用與水污染治理的雙重目標(biāo)。”
該技術(shù)的環(huán)境效益顯著。張建明進(jìn)一步闡釋說，以魷魚骨為例，我國海鮮加工產(chǎn)業(yè)每年產(chǎn)生大量副產(chǎn)物，其中魷魚骨占一定比例。團(tuán)隊(duì)開發(fā)的定向脫鈣-納米纖化工藝，可有效處理這類廢棄物，為水污染治理提供了高效手段。
在社會效益層面，該技術(shù)為水資源短缺地區(qū)提供了經(jīng)濟(jì)可行的解決方案。濾膜成本較傳統(tǒng)商用聚砜膜大幅降低，操作壓力需求更低，特別適合分布式凈水場景。以部分缺水地區(qū)社區(qū)為例，采用該技術(shù)的小型凈水裝置年運(yùn)維成本顯著低于反滲透技術(shù)，能有效緩解當(dāng)?shù)仫嬎y題。
經(jīng)濟(jì)價值方面，原料成本占生產(chǎn)總投入的比例極低。可通過與企業(yè)建立的回收網(wǎng)絡(luò)，形成系列供應(yīng)鏈模式，大幅提升了魷魚骨等廢棄物的附加值，降低工業(yè)與民用水處理成本。
目前，團(tuán)隊(duì)正全力推進(jìn)的工作就是技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。
“下一步，我們計(jì)劃優(yōu)化提取工藝和膜組裝技術(shù)，先把這種濾膜集成到注射器式過濾器中，滿足家庭、實(shí)驗(yàn)室等小型凈水需求。”黃莎莎介紹，長遠(yuǎn)來看，技術(shù)還可拓展至海水淡化、工業(yè)廢水回收等領(lǐng)域，為我國“海水淡化規(guī)模化應(yīng)用”“工業(yè)廢水循環(huán)利用”等國家戰(zhàn)略提供技術(shù)支撐。
“這項(xiàng)成果的背后，是我們15年深耕生物基高分子領(lǐng)域的積累。”張建明表示，團(tuán)隊(duì)長期聚焦納米纖維素制備、生物質(zhì)納米材料、生物降解高分子應(yīng)用等方向，目前，已與山東星宇手套、吉林石化、圣泉集團(tuán)、華昌化工等行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)開展深度產(chǎn)學(xué)研合作，在高性能乳膠制品開發(fā)、合成橡膠應(yīng)用推廣、生物質(zhì)納米填料研發(fā)等領(lǐng)域推動科技成果轉(zhuǎn)化，助力企業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型，緊密對接國家“雙碳”目標(biāo)與高質(zhì)量發(fā)展需求。
從餐桌上的魷魚骨到守護(hù)生命之源的凈水膜，這項(xiàng)研究通過材料創(chuàng)新與工程化實(shí)踐，形成了“基礎(chǔ)研究-技術(shù)突破-產(chǎn)業(yè)應(yīng)用”的全鏈條創(chuàng)新。正如張建明所言：“我們不僅在實(shí)驗(yàn)室里變廢為寶，更要在產(chǎn)業(yè)界讓綠色技術(shù)落地生根。”目前團(tuán)隊(duì)正積極探索技術(shù)推廣路徑，為水資源治理貢獻(xiàn)更多力量。
團(tuán)隊(duì)合影 受訪者供圖
論文相關(guān)信息：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202508514
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