中國水周 | 馬軍院士：緊抓“雙碳”發(fā)展新機遇，探尋技術(shù)發(fā)展新道路。
編者按：
2月22號晚，馬軍院士與22L0407班學(xué)生在城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室611室開展座談會。經(jīng)現(xiàn)場記錄和會后整合，我們梳理了14位同學(xué)的提問和馬軍院士的解答，現(xiàn)與大家一起分享。
馬軍老師與參會同學(xué)合影
中國工程院院士、哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師馬軍老師受邀參加了22L0407班級座談會,講述環(huán)境領(lǐng)域?qū)W科發(fā)展。座談會中，馬老師的淵博學(xué)識和對專業(yè)發(fā)展的宏大藍(lán)圖讓大家受益匪淺。馬老師講述了自己選擇給排水專業(yè)的初衷，對環(huán)境專業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展給出了深刻的見解，并針對新時代環(huán)境學(xué)子的問題提出了自己的建議和期許。
馬軍老師與同學(xué)們展開座談
提問交流摘要
1.請問馬老師如何克服科研中遇到的困難？
2.請問馬老師提到的檢測水中丙烯酰胺單體的反應(yīng)器是如何做的？
3.有沒有水環(huán)境和人體結(jié)合的、像腎臟一樣處理廢水的系統(tǒng)？
4.改變企業(yè)生產(chǎn)以單純突出效益為主的理念和開發(fā)環(huán)境保護(hù)的技術(shù)相比，哪個更重要？
5.納米材料的目前應(yīng)用和未來發(fā)展前景如何？
6.科研生活是什么樣子？做科研需要哪些能力和素養(yǎng)？
7.想具體了解一下馬老師高中時給家里做的燃燒器？
8. 雙碳課題是否會涉及新能源和化石能源的問題？
馬軍老師與同學(xué)們展開親切交流
1、金吉東：在學(xué)術(shù)和科研中一定會遇到很多坎坷，請問老師是如何克服困難的、一步一步堅持下來的？
馬院士：
科學(xué)研究中一定會遇到困難，但要時刻堅定理想信念，并應(yīng)主動學(xué)習(xí)、主動交流，不斷積累知識，夯實基礎(chǔ)。我讀本科和研究生期間，每個假期都會盡早回校，經(jīng)常去省、市圖書館，待在那兒看雜書。上大學(xué)，本專業(yè)知識要學(xué)，專業(yè)之外的知識也要瀏覽。往往一個專業(yè)進(jìn)去，逐漸了解與掌握交叉學(xué)科知識與技能，并養(yǎng)成主動學(xué)習(xí)與積極探索的習(xí)慣。我認(rèn)為，不斷克服困難的過程就是逐漸學(xué)習(xí)和提高的過程。另外，知識面要逐漸拓寬，在工作與研究中主動學(xué)習(xí)新知識，開展交叉學(xué)科方面的研究工作。此外，還要有團(tuán)隊精神，主動與不同學(xué)術(shù)背景的人合作，互相學(xué)習(xí)，優(yōu)勢互補，這樣可以快速地解決問題，在較短時間內(nèi)掌握更多的交叉學(xué)科知識。培養(yǎng)動手能力也很重要，自身的直接經(jīng)驗積累有利于培養(yǎng)創(chuàng)造能力，產(chǎn)生創(chuàng)新靈感，通過自己親自動手制作各種設(shè)備可最直接地體驗“失敗”，更深層次地理解“失敗”，并通過總結(jié)“失敗”經(jīng)驗，產(chǎn)生多種差異化的進(jìn)展和更多創(chuàng)新性解決方案。中學(xué)時，我把課程內(nèi)容學(xué)完之后，就自己去動手實踐，經(jīng)常主動跑去工廠學(xué)習(xí)，看人家的車床銑床刨床都是怎么工作的，回來之后我就自己做了個簡易的手搖車床，用它來加工木材。我在中學(xué)時期還曾經(jīng)利用瀝青的加熱和冷卻粘度變化性質(zhì)將其作為粘結(jié)木工卯榫的材料，后來才知道有動物膠等更好的粘結(jié)卯榫的材料。大家也要敢于實踐，不要怕失敗，不斷請教，虛心學(xué)習(xí)。讀研究生時，我自己騎三輪車到松花江取水樣；還曾主動去做咨詢來籌集購買檢測試劑的費用。此外，研究中用的反應(yīng)器也是我自己制作的，那時候困難雖然很多，但好像都被克服了。克服困難的過程是逆水行舟的過程，是逐漸積累直接經(jīng)驗的過程，也是尋找新的機會的過程，更是遇到新機遇的過程。
2、宋敬源：馬老師剛才提到的檢測水中丙烯酰胺單體的反應(yīng)器是怎樣做的？
馬院士：
給排水和環(huán)境專業(yè)常用高分子絮凝劑——聚丙烯酰胺來凈水，特別是在處理高濁度水時，常用它做絮凝劑。但丙烯酰胺單體有毒，因此導(dǎo)師交給我一個任務(wù)，讓我想辦法去除水中的丙烯酰胺單體。首先遇到的問題是微量丙烯酰胺單體的測定方法，初期我試圖通過測雙鍵去測定丙烯酰胺單體，但發(fā)現(xiàn)檢出限太高。后來查閱文獻(xiàn)時發(fā)現(xiàn)國內(nèi)前人曾建立了利用電子捕獲檢測器測定微量丙烯酰胺單體的方法，但準(zhǔn)確度不高，加標(biāo)回收率只有35%。
因此，我首先采用溴代方法合成溴代丙酰胺，用它做測定方法的標(biāo)樣，這樣就可以利用實驗室電子捕獲檢測器設(shè)備來檢測微量丙烯酰胺單體。我找來木板等原料自己制作了一個光催化反應(yīng)器，在紫外光照下進(jìn)行反應(yīng)。通過預(yù)處理，將測定方法的加標(biāo)回收率從35%提高到94~95%，檢出限達(dá)到1微克/升以下。碩士期間建立有機物測定方法幫助我熟悉了有機物的分析監(jiān)測過程，更重要的是讓我明白要勤動手，多摸索，別怕失敗的道理。
馬軍老師平時與同學(xué)們交流討論
3、黃瑞軒：您剛才提到進(jìn)入一個專業(yè)，從多個專業(yè)出來。領(lǐng)域的交叉可以誕生出新的成果，專業(yè)之余，我對人體和生物感興趣，人體內(nèi)有完整的環(huán)境，有沒有水環(huán)境和人體掛鉤的，像腎臟一樣處理廢水的系統(tǒng)？
馬院士：
仿生是非常有前景的方向。例如，有一種污水處理模式就是仿人的胃，因為胃的工作模式很像污水處理系統(tǒng)，食物進(jìn)入胃里后，在酶的作用下作為底物被降解，然后被小腸吸收營養(yǎng)物，污水處理可以依據(jù)仿生原理來優(yōu)化。
還有就是腎的仿生技術(shù)，腎可以不斷地更新，自我修復(fù)。利用腎的作用原理可以研究具有超高透水率的膜。這就是仿生膜，它能夠在低壓下高通量運行，工作模式很類似人的腎。
目前，人們已經(jīng)仿照昆蟲研究出了微型飛機。未來，仿生一定是一個非常重要的研究方向。通過研究生物的相關(guān)機制與工作原理，開發(fā)出具有特殊功能的裝備。學(xué)習(xí)的過程實際上就是不斷探索，跟別人交流的過程，要跟懂的人去交流、去學(xué)習(xí)。
馬軍老師團(tuán)隊參照斑馬魚骨骼結(jié)構(gòu)所制備的MOF膜，用于海水淡化 （https://doi.org/10.1016/j.memsci.2021.119327）
4、馮劍濤：我在網(wǎng)上看到新聞，對于一些工廠，有需求去處理污水排放。但污水排放需要投入大量的資金。在這一方面，改變企業(yè)生產(chǎn)以單純突出效益為主的理念和開發(fā)環(huán)境保護(hù)的技術(shù)相比，哪個更重要？
馬院士：
從長遠(yuǎn)角度來看，開發(fā)水資源及環(huán)境保護(hù)技術(shù)是實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展的先決條件，是非常重要的。水是生命之源，是人類生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著社會的進(jìn)步和人口的增長，對水資源的需求和對水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求都在逐漸提高。水資源的短缺和水質(zhì)惡化必將影響人類的健康、環(huán)境的穩(wěn)定以及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。
1978年改革開放以后，我國經(jīng)濟(jì)開始快速發(fā)展，在這之前工業(yè)發(fā)展速度相對較慢，環(huán)境污染也不重。早期提出的“誰污染誰治理”的環(huán)境保護(hù)策略主要采用的是“環(huán)境治理”的思路，其本質(zhì)是末端治理。但雙碳背景下末端治理的問題逐漸凸顯：將所有廢物都排入下水道，會在排水系統(tǒng)中產(chǎn)生大量的甲烷和氧化亞氮等溫室氣體。如果城鎮(zhèn)大量的有機營養(yǎng)物集中排放到污水處理廠，那么處理成本會很高，而且產(chǎn)生的污泥也不易回田，是導(dǎo)致污水處理的綜合成本高、碳排放量大的主要原因。
未來城市排水系統(tǒng)規(guī)劃與發(fā)展是實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的一個戰(zhàn)略課題。要加強前端污染減排與資源回收，發(fā)展減污降碳與資源循環(huán)利用技術(shù)，通過膜分離技術(shù)在源頭回收資源。目前我們課題組在研究陶瓷膜、高分子膜、石墨烯膜、不銹鋼膜、碳膜等，就是希望利用這些綠色膜分離技術(shù)在源頭上將資源回收利用，可以明顯降低污染治理綜合成本，實現(xiàn)投入向收益的轉(zhuǎn)變。
用于源頭減污降碳與資源循環(huán)利用的功能化陶瓷膜
5、宋敬源：納米材料現(xiàn)在用得怎么樣？今后的發(fā)展?jié)摿υ趺礃樱?/strong>
馬院士：
納米材料發(fā)展?jié)摿薮蟆?strong style="margin: 0px; padding: 0px;">我們團(tuán)隊利用納米材料制備的高性能分離膜可以用于資源回收，也可以促進(jìn)水資源的循環(huán)利用。例如，我們團(tuán)隊利用納米材料界面特性，制備出抗污染、抗氧化、低能耗、高通量的反滲透膜，可以用于苦咸水處理、海水淡化、濃鹽水處理等。此外，納米材料還能夠高效地催化分解水中的污染物，我們團(tuán)隊開發(fā)出一系列功能化納米催化材料，用于臭氧催化氧化等高級氧化工藝中，大幅度地提高了水中有機污染物的分解效率，實現(xiàn)污水資源的循環(huán)利用。
此外，納米材料還可以用于綠色建筑、低能耗建筑領(lǐng)域。城市人口密集、工業(yè)集中、硬地面多，熱島效應(yīng)顯著，加上大量地使用空調(diào)進(jìn)行降溫，導(dǎo)致室外溫度升高，從而影響城市降雨強度，甚至出現(xiàn)冰雹等災(zāi)害。因此，急迫需要不消耗能源的降溫技術(shù)。我們和能源、供熱、材料、物理、化學(xué)等多學(xué)科背景教師和學(xué)生的密切合作，開展交叉學(xué)科研究，逐漸開發(fā)出無動力降溫涂層，用于制造建筑隔熱、降溫制冷。例如，養(yǎng)雞、養(yǎng)牛都怕高溫，制冷涂層就可以用于雞舍和牛舍從而實現(xiàn)無動力降溫。此外，制冷涂層也可以應(yīng)用于樓宇、糧庫、道路、廠房、橋梁等領(lǐng)域。例如，橋梁主梁和橋墩溫差大時容易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，維護(hù)成本極高，若采用制冷涂層可以防止局部高溫，從而保護(hù)橋墩。該交叉學(xué)科研究成果可能通過降低空調(diào)使用頻率實現(xiàn)降低城市熱島效應(yīng)、控制溫室氣體排放、改善城市微氣候環(huán)境的目的，為城市生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。
科技驅(qū)動發(fā)展，科技進(jìn)步產(chǎn)生新的發(fā)展機遇。科學(xué)研究應(yīng)不斷地引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，通過技術(shù)創(chuàng)新就能產(chǎn)生無限的發(fā)展空間。
馬軍老師團(tuán)隊在樓房建筑屋頂用納米材料涂料涂覆輻射制冷降溫膜
馬軍老師團(tuán)隊研究出的降溫玻璃（僅有1層薄膜，淡藍(lán)色）
6、閆松：老師我想問的是，科研生活是什么樣子？做科研需要的能力和素養(yǎng)是什么？
馬院士：
我認(rèn)為，學(xué)生要有理想、抱負(fù)、追求，要有信念。我從小就覺得要干一番事業(yè)，那么這個事業(yè)是什么？當(dāng)時的我也很迷茫，也不知道方向在哪。
中學(xué)時，我想學(xué)數(shù)學(xué)，因為當(dāng)時有陳景潤、華羅庚等數(shù)學(xué)家為榜樣，我很崇拜他們，所以我想要學(xué)好數(shù)學(xué)，以后從事這方面工作。后來，在班主任推薦下我選擇了學(xué)習(xí)給排水專業(yè)。在入學(xué)的第一天，本專業(yè)主要教師都出席了在土木樓302大教室召開的專業(yè)介紹會，聽取了老教授介紹的哈工大給排水專業(yè)的發(fā)展歷史，了解到給排水專業(yè)的發(fā)展?jié)摿凸ご蠼o排水專業(yè)的學(xué)科實力之后，深深地被它吸引。隨著經(jīng)濟(jì)與工業(yè)發(fā)展，環(huán)境問題日益凸顯，學(xué)科內(nèi)容范圍也不斷拓寬，最近又面臨碳達(dá)峰和碳中和新的發(fā)展機遇，環(huán)境學(xué)院的學(xué)科可做的工作更多，學(xué)科任務(wù)更加艱巨。接觸到新機遇后，才會發(fā)現(xiàn)有這么多的發(fā)展機會，給排水和環(huán)境學(xué)科既需要數(shù)學(xué)，也需要物理、力學(xué)、流體等知識，更需要化學(xué)和生物、材料方面的知識；環(huán)境工藝需要機電、控制和計算機方面的知識。你想做多深就可以做多深，你想做多大就能做多大，很有發(fā)展?jié)摿Γ蔡貏e有趣。近年來，生態(tài)環(huán)境保護(hù)和“碳達(dá)峰、碳中和”等戰(zhàn)略賦予了環(huán)境學(xué)院學(xué)科新的發(fā)展內(nèi)涵，使給排水和環(huán)境學(xué)科的范圍被顯著拓寬，具有更大的發(fā)展?jié)摿?/strong>。
科研素質(zhì)是逐漸培養(yǎng)起來的，既要有遠(yuǎn)大的理想抱負(fù)和發(fā)展目標(biāo)，又要具備嚴(yán)謹(jǐn)求實、踏實肯干的素質(zhì)。一些基礎(chǔ)原本不是很好的學(xué)生最后也在哈工大發(fā)展得非常好，成為了非常優(yōu)秀的博士。哈工大環(huán)境學(xué)院畢業(yè)生中誕生了七位院士，足以說明這里的土壤能夠為人才培養(yǎng)提供優(yōu)良條件和學(xué)術(shù)氛圍。同學(xué)們要珍惜在哈工大學(xué)習(xí)的機會，在這樣優(yōu)異的環(huán)境和土壤條件下，只要肯干就能變成人才。
7、再努熱：老師您好，您能不能講一下剛剛提到的高中時期給家里做燃燒器的故事？
馬院士：
小時候，家里的煙囪經(jīng)常冒黑煙，我查閱相關(guān)的書籍，推測這應(yīng)該是燃燒不充分導(dǎo)致的。
大家都知道，東北家里有火炕，還有爐子和火墻。當(dāng)我打開火炕后，發(fā)現(xiàn)里面全是黑的。為解決這個問題，我做了一個大膽的嘗試：在燃燒爐灶的出口處開了一道縫兒，讓空氣能夠進(jìn)去，進(jìn)而產(chǎn)生二次燃燒。這樣使得火炕里的煤焦油都完全燃燒了，所以黑煙也完全沒有了。
這個爐灶是我中學(xué)時期做的，直到現(xiàn)在印象還很深刻，我仍然覺得這個技術(shù)可以在全國推廣應(yīng)用，特別是廣大農(nóng)村可以通過爐灶的簡易更新有望顯著地減少大氣的面源污染。生活中，大家應(yīng)該細(xì)致觀察，大膽嘗試，不怕失敗，往往一些失敗反而是后續(xù)發(fā)展的機遇。
座談會上同學(xué)們踴躍發(fā)言
8、買地那：發(fā)現(xiàn)您研究了很多關(guān)于碳達(dá)峰和碳中和的課題，請問這些研究中會不會涉及新能源和化石能源這些能源方面的問題？
馬院士：
化石能源是有限的，但是化石能源到底怎么來的，還需要深入的科學(xué)探索。
地球海洋里的生物量是最大的，太陽能可以通過海洋生物鏈進(jìn)入并儲存在各種海洋生物中，這些生物可能與化石能源的形成有關(guān)。太陽能通過光合作用被藻類利用，然后產(chǎn)生的藻類等有機成分經(jīng)過生物鏈累積儲存到各類生物中，最后有可能在某些條件下通過某種途徑進(jìn)入到地球內(nèi)部，在高溫高壓下重新反應(yīng)形成新的能源。
我們專業(yè)和能源關(guān)系非常密切。例如水本身具有儲能特性，水分子通過氫鍵相互作用，因此水的相變熱很高，從而具有儲能功能，目前國際上最成功的儲能方式應(yīng)該是利用水的勢能和動能轉(zhuǎn)換實現(xiàn)能源的峰谷調(diào)節(jié)。環(huán)境過程也是吸熱或者放熱的過程，如何利用環(huán)境中的余熱？污水中也有余熱，工業(yè)生產(chǎn)過程也產(chǎn)生大量余熱，垃圾焚燒過程也有余熱，按需求調(diào)節(jié)熱量變化并充分利用余熱是十分有意義的。此外，物質(zhì)本身具有內(nèi)能，物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中會放出熱量。生物質(zhì)燃燒過程中會放出熱量，生物質(zhì)可轉(zhuǎn)化成甲烷和氫，本身就是戰(zhàn)略能源。水電解可以產(chǎn)氫，是今后很有前景的綠色能源。因此給排水和環(huán)境領(lǐng)域的研究人員在工作中經(jīng)常會遇到能源利用問題。關(guān)于能源方面還有一些例子，盡管目前很多人研究鋰電池，但我們國家鋰礦資源很少，手機用鋰電池可以，但大規(guī)模房屋儲能用鋰電池顯然不夠。我們團(tuán)隊利用水質(zhì)凈化原理，以地球中較為豐富的資源為原料做出一種儲能電池，安全可靠，而且性能非常好。當(dāng)然，利用水進(jìn)行儲能的方法有很多，可以利用水的相變熱和四季溫度的變化實現(xiàn)能量的儲存和釋放。只要對事物了解得足夠透徹，總能找到能夠利用它的地方。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院
城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室（哈爾濱工業(yè)大學(xué)）
城市水資源開發(fā)利用(北方)國家工程研究中心
（哈爾濱工業(yè)大學(xué)）
