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《Joule》犀利评论:学术界应避免炒作阻碍技术发展——以海水淡化技术为例

炒作是一种商业手段,但是我们有没有思考过,在学术界,是否也存在炒作现象呢?Jeffrey McCutcheon(康涅狄格大学教授教授,北美膜学会会长)“避免针对发展商业化可行的海水淡化技术的炒作”这一话题在Cell的姊妹刊Joule上发表了评论。


炒作会推进各个领域的研究进程。当一项有望解决人类所面对的重大问题的新技术出现时,会有很多数据被发表,新闻界和公共关系机构将进入高速运转状态,社交媒体爆炸,相关研究人员的地位可以和明星相媲美。但是通常这些技术不能达到人们的期望值。这些技术有可能被应用到不合适的领域,处于十分早期的发展阶段,难以实现大规模生产,与现有的技术相比缺乏竞争性。

这些新技术通常会遵循“Gartner炒作周期(Gartner Hype Cycle)”,如图1所示。新技术发现之初,对该技术对研究兴趣快速增加,在膨胀的期望值下达到顶峰,然后随着幻想破灭,跌入谷底。当找到适合的应用领域,技术研究慢慢回温。最终,一定程度上成功的商业化会将该技术带入一个稳定的发展平台。

《Joule》犀利评论:学术界应避免炒作阻碍技术发展——以海水淡化技术为例(图2)

图1 Gartner炒作周期

海水淡化研究领域也不例外。媒体发表关于全球水资源短缺的报道,并阐述更低成本、低能耗的海水淡化技术将如何解决这些挑战性问题。然后,这些故事就会“流行”起来,资金也会到位。看到有使基金成果多样化的机会,研究人员将他们的重点转移到海水淡化上,随之而来的是研究的“鸟枪式方法(shotgun approach)”。随着一些预示着一项技术前景的初步数据的发布,一篇篇论文的发表,媒体也开始关注它。资金流动和炒作愈演愈烈。

膜研究领域尤其容易受到炒作周期的影响。从事这些膜技术工作的科学家们的确成功制造了新型膜,也在世界各地发表演讲,但是他们并没有实现当初提出的显著降低海水淡化能耗的预期设想。这是为什么呢?简单来说,传统的反渗透(RO)膜已经相当有效。对于海水以及其他含盐量低的水域的淡化处理而言,进一步降低能耗的空间有限。

但是这些成果不能阻止下一个能够使海水淡化成本在可接受范围内的优质膜材料的报道,也不能阻止数百万美元的资金投入到开发更多的膜材料上。所有这些工作和资金的最终结果是,今天使用的反渗透膜与30年前引进的反渗透膜没有太大的不同。炒作误导了我们!现在,这些技术中有许多正处于或走向低谷,资金正在枯竭。

反渗透之外的其他技术呢?会有另一种减少海水淡化能耗或成本方法吗?正向渗透(FO)技术所走的道路是一个警示,它告诉我们,围绕一项技术的炒作可能会在未来带来一些问题。我知道,因为我一开始就在那里。

我已经在这个领域工作了15年,仍然记得当时陷入的困境:声明像FO这样的新技术可以用于什么方面。那时我和其他一些人一样,确信FO是一种潜在的,在处理海水、咸水以及废水再利用等方面,能够替代RO的技术。虽然当时我错了,但是这也没有阻止相关文章的发表。在接下来的十年里,有超过1000篇关于FO的论文发表(有些是我写的)。综述每年都会出现在著名的杂志上,向读者更新最新和最好的膜材料,并对目前的发展进行总结。每个人都积极参与进来。此时,FO技术达到了研究的顶峰。然后,它就跌下了神坛。关于FO的国际组织自2016年后也没有再举办过一次会议。几家著名的FO初创企业和小型企业要么关门大吉,要么放弃FO。有几家公司幸存了下来,但也没有取得重大的商业成功。甚至已经开始有一些论文质疑FO降低能耗的有效性。

作为一个领域,FO迅速退回到合适的位置,在这个合适的位置上,它更容易击败热技术(如处理高盐度溶液)。本质上,FO现在只是试图占据常规RO无法占据的操作空间。回想起来,这也是FO研究领域一个更好的开始。这个故事给其他有望解决世界水资源问题的自称“救世主”的技术上了一课。

我们如何才能在未来避免这些代价高昂的失败?首先不能忽视能够保证效果的重要因素:明确的商业化道路。在有一条通向商业化道路的同时,我们在评估技术平台时,也必须诚实。不要仅仅因为海水淡化领域“很热”就强迫一项技术进入该领域。这可能会阻碍更适合该技术的应用的发展。更糟糕的是,它可能会扼杀该应用领域内可能具有更高的影响力的其他研究。

什么研究在未来会产生最大的影响?对海水淡化而言,反渗透技术已将盐分离的能耗降低到实际所需最低能量范围附近。减少能耗的工作仍有价值,但随着技术逐步改善,回报正在减少。在这里,我提出了一些建议:

用技术-经济评估

用于海水淡化的能耗比已经受到热力学的限制。因此,我们应该把注意力转向成本。成本包含了当今海水淡化所囊括的所有问题和挑战:系统设计、预处理、模块设计和配置、泵、配件、监控、能源回收等等。在这里,技术-经济评估(TEAs)可以作为我们的向导。任何声称能改善海水淡化的新技术、新工艺或新材料,在投入昂贵的实验工作之前,都必须经过严格的TEAs过程。其中也包括电容去离子化、微生物脱盐电池,膜蒸馏等旨在取代现有反渗透膜的新技术。

不要专注于膜渗透率

很明显,增加反渗透膜的渗透性不再是一个需要花费很大精力的方面。相反,我们应该关注膜材料的其他关键性能。提高膜材料对小分子不带电有机物和无机物混合物的选择透过性将扩展反渗透技术在水处理方面的应用。寻找芳香族聚酰胺的替代物作为反渗透材料,对提高膜弹性具有重要意义。由陶瓷和自组装聚合物制备的薄膜显现出一定的应用前景,但其可加工性仍然是一个挑战。创新型膜的制备方法还可以控制膜的性能(厚度、粗糙度和选择性),这是目前的传统制备方法难以实现的。

找到能够与热过程相竞争的机会

卤水和其它浓缩液的高渗透压往往只能通过热过程进行处理。如果我们通过工艺强化的方法,用膜过程替代热过程,能耗可以减少90%。零液体排放系统通常使用热盐水浓缩器在结晶前除去水。我们能用薄膜代替吗?在这方面,正向渗透技术已经取得了一些成功,但其在替代能源密集型蒸发过程的机会也很多。

一些想法

我从未打算在这篇文章中诋毁任何人的工作。为了避免批评,我可以自信地说,我在这里提到和引用的工作都是非常好的科学工作;它们只是被错误地应用于海水淡化领域。研究者需要坚持下去,并找到最适合它的应用。如果你认为你的技术可以被应用到像海水淡化这样成熟的领域,那么在进行这项昂贵的具有高技术难度的研究之前,先从热力学和经济学的角度证明它的价值。而且,请准备好就一项新技术将如何影响每天30多亿加仑的脱盐水的生产提出论据。这意味着你必须准备好为你将如何生产这种材料或大规模应用这种技术进行辩论。这种批评和讨论对于确保学术研究能够产生实际影响至关重要。本着这种思想自由交流的精神,我欢迎对这一评论提出的任何公正和开放的批评。

避免太多分歧的关键是要对我们的工作及其坦诚。如果你正在开发一个技术平台,并且看到了一个投资机会,请确保这是适合它的应用领域。否则会使该技术偏离最适应用领域,并妨碍其他可能更适合的技术获得开发海水淡化技术所需的资源。不要让炒作左右你的思想,而是让量化的措施,如技术-经济评估,成为一项技术进入海水淡化领域的守门人。遵循这种方法将有助于避免炒作周期造成的代价高昂的失败,这种失败可能导致有前景的技术被搁置,并破坏研究重点和资源的转变,这才是对世界各地的研究人员造成的真正的伤害。


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