當(dāng)我們?cè)谡務(wù)撘粋€(gè)前沿技術(shù)的時(shí)候，我們到底在談?wù)撌裁茨兀苛孔油ㄓ崱⑹覝爻瑢?dǎo)、海水淡化、魔角石墨烯、機(jī)器學(xué)習(xí)……
當(dāng)我們打開(kāi)手機(jī)，看到的大多不外乎3種聲音：不咸不淡的陳述、毫無(wú)下限的吹捧、不知所云的批判。
炒作，不僅盛行娛樂(lè)圈和資本圈，在科研領(lǐng)域也變得越來(lái)越習(xí)以為常。因?yàn)椋醋魍軌蛲苿?dòng)一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)那些有望解決人類(lèi)面臨的重大問(wèn)題的新技術(shù)研究。然而，有時(shí)候這些技術(shù)并不能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，它們可能被應(yīng)用于錯(cuò)誤的領(lǐng)域而導(dǎo)致一個(gè)好技術(shù)夭折。
有鑒于此，康涅狄格大學(xué)Jeffrey R.McCutcheon教授以海水淡化技術(shù)為例，結(jié)合自身研究經(jīng)歷，揭示了目前科研圈的炒作周期和資金循環(huán)流程，對(duì)海水淡化領(lǐng)域提出了可靠的研究建議。
這些炒作的技術(shù)通常遵循Gartner 炒作周期（圖1），對(duì)一項(xiàng)技術(shù)的興趣在“技術(shù)觸發(fā)”之后迅速增長(zhǎng)，并在“膨脹預(yù)期”達(dá)到峰值，當(dāng)技術(shù)未能實(shí)現(xiàn)其承諾時(shí)，然后崩潰成“幻滅的低谷”。之后，該技術(shù)慢慢恢復(fù)，它的最佳用途最終是通過(guò)所謂的“啟蒙斜坡”找到的，隨之而來(lái)的是一定程度商業(yè)化的成功（生產(chǎn)力平臺(tái)）。這個(gè)周期可以很容易地與學(xué)術(shù)研究的歷程重疊。在備受矚目的研究機(jī)構(gòu)或在高檔學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表的早期學(xué)術(shù)成果，往往能夠引發(fā)全世界大量的學(xué)術(shù)研究活動(dòng)：采購(gòu)資金、建立計(jì)劃、培訓(xùn)學(xué)生、聘請(qǐng)博士后研究人員、教師做主題演講、會(huì)議提供研討會(huì)、初創(chuàng)公司通過(guò)政府和私人資金從大學(xué)中分離出來(lái)。然后，當(dāng)技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足期望時(shí)，興趣通常很快就會(huì)崩潰，從而導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)和資源的破壞性轉(zhuǎn)變。
圖1. Gartner 炒作周期
海水淡化研究領(lǐng)域也不能幸免
“全球水資源短缺，海水淡化是如何降低成本并解決能源密集度的挑戰(zhàn)”，全球媒體鋪天蓋地的此類(lèi)新聞報(bào)道讓政府相信，必須加大相關(guān)研究的資金支持。研究人員看到了實(shí)現(xiàn)資金投資組合多樣化的機(jī)會(huì)，便更多地將他們的研究領(lǐng)域轉(zhuǎn)向了海水淡化。隨之而來(lái)的是“霰彈槍方法”，每個(gè)技術(shù)都能用于降低海水淡化的能源成本，各個(gè)領(lǐng)域的研究學(xué)者們都提出了蒸發(fā)、電化學(xué)、離子交換和基于膜材料的方法，即便很多時(shí)候并沒(méi)有明確的熱力學(xué)或經(jīng)濟(jì)論證。這樣，隨著一些表明技術(shù)前景的初步數(shù)據(jù)發(fā)布以及論文的發(fā)表，新聞界對(duì)這些數(shù)據(jù)和文章進(jìn)行報(bào)道，然后進(jìn)一步加劇了資金的流動(dòng)和炒作的增長(zhǎng)。
膜技術(shù)領(lǐng)域特別容易受到炒作循環(huán)的影響
在過(guò)去的二十年里，碳納米管、水通道蛋白和石墨烯等材料已經(jīng)沖進(jìn)了海水淡化領(lǐng)域，相關(guān)研究人員提出了反滲透（RO）膜，認(rèn)為它可以提高水通量和鹽的選擇性，從而減少能耗，降低海水淡化的成本。
那些從事膜技術(shù)的科學(xué)家是否成功地制造了這些新型膜？是的。
他們是否在聲譽(yù)極高的期刊上發(fā)表過(guò)？是的。
他們是否就世界各地成功舉行了會(huì)談？是的。
他們是否在明顯降低海水淡化的能源成本方面產(chǎn)生了預(yù)期的影響？NO。
那是為什么？
簡(jiǎn)而言之，RO的傳統(tǒng)形式已經(jīng)非常有效。與熱技術(shù)相比，它的比能耗（SEC）降低了10倍以上，最先進(jìn)的RO系統(tǒng)可以在接近2 Kw-h/m3的SEC下運(yùn)行。但是由于熱力學(xué)最小分離能為1.1 Kw-h/m3（對(duì)于海水50％的回收率），今天的常規(guī)反滲透系統(tǒng)已經(jīng)在分離所需的“實(shí)際能量最小值”的驚人距離內(nèi)，對(duì)于海水和其他鹽度較低的水淡化，進(jìn)一步減少能源使用的空間非常小。
即便事實(shí)如此，媒體新聞的標(biāo)題依然是“諾獎(jiǎng)得主最新膜技術(shù)可以使海水淡化成為可能“，“海水淡化，即將撬開(kāi)2000億市場(chǎng)”之類(lèi)。沒(méi)有人能夠阻止數(shù)百萬(wàn)美元資金用于開(kāi)發(fā)更多具有低水流阻力（也稱(chēng)為高滲透性）的膜，即便實(shí)際上是滲透壓控制著海水淡化中的SEC，但是初創(chuàng)公司依然信心滿(mǎn)滿(mǎn)地承諾這些具有更高滲透性的RO膜能夠改變行業(yè)。
所有這些工作和資金的最終結(jié)果是，今天使用的RO膜與30年前首次引入的RO膜沒(méi)有太大差別。炒作引導(dǎo)我們走錯(cuò)了路，現(xiàn)在，其中的許多技術(shù)正處于或進(jìn)入幻滅的低谷，資金正在枯竭。
RO之外的其他技術(shù)怎么樣？有沒(méi)有另一種方法可以減少能源使用或降低海水淡化的成本？
我已經(jīng)在這個(gè)領(lǐng)域工作了15年，我記得我掉進(jìn)了這樣的陷阱，它聲稱(chēng)像FO這樣的新技術(shù)可以解決水處理問(wèn)題。當(dāng)時(shí)我還比較年輕，渴望在一個(gè)有意義和有持久影響力的領(lǐng)域工作。令我興奮的是，這種新興技術(shù)可以徹底改變幾十年來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)重大顛覆性創(chuàng)新的領(lǐng)域。作為那個(gè)天真的研究生，我和其他一些人一樣，確信FO是RO的潛在替代品，它涉及傳統(tǒng)水域，如海水、微咸水和廢水的再利用，它會(huì)比RO使用更少的能源和更低的成本。然而，我錯(cuò)了！
錯(cuò)歸錯(cuò)，但是這并不影響論文的發(fā)表，在接下來(lái)的十年里，出現(xiàn)了1000多篇有關(guān)FO的研究論文（包括我的）。著名期刊每年都會(huì)發(fā)表評(píng)論文章，夢(mèng)想著開(kāi)發(fā)更新更好的膜來(lái)解決問(wèn)題。每個(gè)人都參加了這項(xiàng)活動(dòng)，亞洲和歐洲的團(tuán)隊(duì)正在探索輔助滲透過(guò)程（如減壓滲透、滲透輔助FO，滲透蒸餾和滲透脫水），一些公司開(kāi)始承諾FO可以解決我們最緊迫的水處理問(wèn)題，兩個(gè)國(guó)際FO組織成立并舉辦了專(zhuān)門(mén)討論FO技術(shù)的國(guó)際會(huì)議。
FO還在大型科學(xué)會(huì)議上影響了技術(shù)規(guī)劃，AIChE分部贊助了FO的會(huì)議。2013年在休斯頓舉行的北美膜協(xié)會(huì)（NAMS）會(huì)議上，4個(gè)分會(huì)完全致力于滲透過(guò)程，這是“膨脹預(yù)期”的高峰期。然后，它崩潰了。到2016年，NAMS和AIChE不再有任何專(zhuān)門(mén)針對(duì)FO的技術(shù)會(huì)議，F(xiàn)O的國(guó)際組織自2016年以來(lái)沒(méi)有召開(kāi)過(guò)會(huì)議。一些備受矚目的FO初創(chuàng)企業(yè)和小型企業(yè)已經(jīng)關(guān)閉了大門(mén)或者遠(yuǎn)離了FO。一些公司幸免于難，但是商業(yè)上的成功未能實(shí)現(xiàn)，一些論文甚至開(kāi)始發(fā)表觀點(diǎn)，質(zhì)疑FO對(duì)低能耗有效性的一些主張。（笑cry）
在這個(gè)領(lǐng)域里，F(xiàn)O迅速退回到最初的地位，在那里它可以更容易地?fù)魯衢T(mén)技術(shù)。從本質(zhì)上講，F(xiàn)O現(xiàn)在只是試圖占據(jù)傳統(tǒng)RO無(wú)法占據(jù)的運(yùn)營(yíng)空間。在這方面，F(xiàn)O已經(jīng)取得了一些成功，并且可能會(huì)在它找到它的“家“時(shí)，爬上“啟蒙斜坡”。然而，那個(gè)”家”不會(huì)采用傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)。回想起來(lái)，這將是開(kāi)展FO研究領(lǐng)域的最好地方。這個(gè)故事是對(duì)其他自稱(chēng)“救世主”技術(shù)、有望解決世界水問(wèn)題的一個(gè)教訓(xùn)。
我們應(yīng)該如何在未來(lái)避免這些代價(jià)高昂的失敗？
答案是，不要忽視確保影響力的重要因素：明確的商業(yè)化途徑。在評(píng)估一項(xiàng)技術(shù)時(shí)，必須有切實(shí)可行的商業(yè)化道路，并且要誠(chéng)實(shí)地面對(duì)自己。例如，石墨烯膜是否具有海水淡化的獨(dú)特性能？當(dāng)然。它們是否能夠在無(wú)缺陷平臺(tái)上生產(chǎn)，其規(guī)模一定能夠產(chǎn)生足夠的膜面積以實(shí)現(xiàn)脫鹽？其結(jié)果令人懷疑。
這并不意味著我們應(yīng)該拋棄石墨烯膜作為一種技術(shù)。但它確實(shí)意味著我們應(yīng)該找到一個(gè)更適合其屬性的應(yīng)用領(lǐng)域，而不是將它們不恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用于海水淡化等領(lǐng)域。不要僅僅因?yàn)樵擃I(lǐng)域“熱”而迫使一些技術(shù)進(jìn)入海水淡化領(lǐng)域，這可能會(huì)阻礙開(kāi)發(fā)更適合該技術(shù)的應(yīng)用。更糟糕的是，它會(huì)扼殺那些在其他領(lǐng)域里可能產(chǎn)生更大影響的研究。
哪項(xiàng)研究將來(lái)會(huì)產(chǎn)生最大的影響？
對(duì)于海水淡化，繼續(xù)減少能耗的工作依然具有價(jià)值，但隨著逐步改進(jìn)，回報(bào)正在減少。在這里，我提出幾個(gè)建議。
一、使用技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估
海水淡化的SEC已經(jīng)受到熱力學(xué)的限制，因此，我們應(yīng)該將注意力轉(zhuǎn)移到成本上。成本包括當(dāng)今海水淡化的所有問(wèn)題和挑戰(zhàn)：系統(tǒng)設(shè)計(jì)、預(yù)處理、模塊設(shè)計(jì)和配置、泵、配件、監(jiān)控、能量回收等，技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估（TEAs）可以作為我們的指南。聲稱(chēng)能夠改善海水淡化的任何新技術(shù)、工藝或材料，在進(jìn)行昂貴的實(shí)驗(yàn)工作之前，都應(yīng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的TEA。
二、停止關(guān)注膜滲透性
我們不應(yīng)該繼續(xù)花大量精力來(lái)增加RO膜滲透性，而應(yīng)該多關(guān)注其他關(guān)鍵特性。譬如提高膜對(duì)挑戰(zhàn)性化合物（如不帶電荷的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物）的選擇性，能夠擴(kuò)大RO在水處理中的應(yīng)用；尋找芳香族聚酰胺作為RO材料的替代品，可以在提高膜彈性方面發(fā)揮很大的作用；由陶瓷和自組裝聚合物制成的膜已經(jīng)在可擴(kuò)展平臺(tái)上展示了一些作用，但可加工性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)；創(chuàng)新的膜制造方法還可以控制膜特性（厚度、粗糙度和選擇性），這是傳統(tǒng)制造方法目前無(wú)法獲得的。
三、找到與熱過(guò)程競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)會(huì)
鹽水和其他濃縮物的高滲透壓通常只能通過(guò)熱處理來(lái)處理。如果我們通過(guò)過(guò)程強(qiáng)化方法，用膜過(guò)程取代這些熱過(guò)程，我們可以將能耗降低90％。零液體排放系統(tǒng)通常使用熱鹽水濃縮器在結(jié)晶之前去除水。我們可以用膜代替嗎？在這里，F(xiàn)O取得了一些成功，但是，取代能源密集型蒸發(fā)過(guò)程仍存在許多機(jī)會(huì)。
作者的想法
我不想批判在這篇文章中涉及到的任何人的工作，我可以自信地說(shuō)，我在這里提到和引用的工作是非常好的科學(xué)工作，它只是被誤用于海水淡化。
不要讓炒作把你帶偏了！如果您認(rèn)為您的技術(shù)可以應(yīng)用于像海水淡化這樣的成熟領(lǐng)域，那么在進(jìn)行昂貴的“技術(shù)”研究之前，要在熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)上證明這一價(jià)值。此外，您還需要回答，新技術(shù)將如何影響每天超過(guò)30億加侖淡化水的生產(chǎn)問(wèn)題，這意味著材料的大規(guī)模制造和技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用等系列問(wèn)題。這種批評(píng)和討論對(duì)于確保學(xué)術(shù)研究的良性發(fā)展至關(guān)重要，本著自由交流思想的精神，我歡迎對(duì)這一評(píng)論的公正和開(kāi)放的批評(píng)。
參考文獻(xiàn)：
Jeffrey R. McCutcheon, Avoiding the Hypein Developing Commercially Viable Desalination Technologies. Joule, 2019.
DOI:10.1016/j.joule.2019.03.005
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30099-6#%20
編者體悟：
非常佩服作者能夠站出來(lái)，從資本的角度來(lái)講述科研圈的運(yùn)行法則；也非常佩服Joule，是真的勇士。不過(guò)正所謂，百花齊放百家爭(zhēng)鳴，如果沒(méi)有不同意見(jiàn)，科研圈就是一潭死水了。
作者提出的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估（TEAs），在眾多應(yīng)用研究領(lǐng)域都具有重要的借鑒價(jià)值，比如，在可充電電池領(lǐng)域，近期很多高品質(zhì)研究論文已經(jīng)開(kāi)始將電池材料的制備價(jià)格考慮在內(nèi)，如喬世璋最新Angew中對(duì)電解Zn-MnO2電池進(jìn)行了成本計(jì)算，具有非常好的參考意義。關(guān)于規(guī)范化，Joule期刊報(bào)道了李泓研究員對(duì)實(shí)驗(yàn)室電池制備工藝和測(cè)試參數(shù)的解讀和建議，以進(jìn)一步縮短實(shí)驗(yàn)室和產(chǎn)業(yè)的差距，便于與商業(yè)化掛鉤。
編者自己品讀這篇文章時(shí)，時(shí)而忍俊不禁，時(shí)而拍案叫絕，時(shí)而滿(mǎn)懷欽佩。作者以自身在此領(lǐng)域15年的研究歷程，站位之高，觀察之微，言之有情，論之有物。不亢不卑，又誠(chéng)意滿(mǎn)滿(mǎn)，學(xué)者風(fēng)范，盡顯大家風(fēng)度。相信這篇文章，能夠引起更多科研人士的深思。
