绿色化学及其技术在水处理的应用

刘召云

（大同师范高等专科学校，山西大同 037039）

1 绿色化学概述

1）绿色化学也称为环境友好化学，是指基于原子经济学基本原理的化学反应和过程，即充分利用所涉及原材料的每个原子。从通过化学反应生产新物质开始，就采用科学的方法来防止污染，实现零排放和零污染的目标。因此，绿色化学的主要特点是：

（1）充分利用资源和能源，并使用无毒无害的原料。

（2）在无毒无害的条件下进行反应，以减少废物向环境的排放。

（3）改善原料的利用率，使原料的所有原子参与化学反应，以实现零排放。

（4）生产对环境保护、公共安全和人类健康有用的环保产品。为了更清楚地表达绿色化学在资源利用中的需求，人们提出了5R理论：

①减量（Reduction）：从节约资源和减少污染的角度出发，提出确保产量最为重要的是提高转化率和减少损失率，并减少废气、废水和废物（副产品）的排放，并符合排放标准。

②重复使用（Reuse）：通过重复使用降低成本并减少化学工业中的催化剂或载体之类的浪费。

③回收（Recycling）：包括回收未反应的原料、副产物、催化剂等。

④再生（Regeneration）：将废物变成原料，是节省资源、节省能源和减少污染的有效方法。在开发工艺流程时，有必要考虑到原材料的再生。

⑤拒用（Rejection）：避免使用不可替代的原材料，这些原材料无法在化学过程中进行回收和再利用，且有毒或对环境污染有重大影响。

2）化学对生活的影响非常巨大。绿色化学是一种新方法，除了在过程结束后控制废物外，还要求在整个化学过程中减少废物，甚至实现零排放，以提高生产效率。简而言之，绿色化学应实现以下目标：

（1）减少排放或实现零废物排放。

（2）开发安全产品和安全流程。

（3）使用生命周期评估方法。

（4）提高材料、能源和水的利用率，回收或再利用材料和可再生资源。

2 水处理现状

目前，水污染在生活中随处可见，主要来源为生活废水和工业废水，其中工业废水为主要来源。工业废水的主要危害是含有有机化学品、盐、重金属、放射性元素等，对环境造成危害。尤其是会污染地下与地上水资源，严重影响环境。就目前的情况而言，废水处理仍然存在许多困难，在许多企业的处理过程中，没有有效技术手段，这在地表水和地下水的协调处理中造成了许多问题，并对人们的生活造成了负面影响。为了更好地防止企业综合过程中的污染问题，需要严格控制废水处理，以更好地保持总体处理效果。而生活污水主要是有机物污染较为严重，其可以导致水体富营养化，造成多种环境问题。当前在水处理中主要应用的污水处理技术如下：

1）传统化学方法：包括沉淀法、中和法和氧化法。是通过向废水中添加适当的化学物质，并与废水中的污染物发生一系列化学反应，实现沉淀、中和或者氧化还原的效果，从而实现水处理的效果。大多数废水处理都使用化学方法，其可以有效去除胶体和可溶性物质。例如，混凝沉淀法在整个过程中使用凝结剂吸收静电胶体颗粒，从而可以更好地通过絮凝剂去除污染物。混凝沉淀法中使用的设备是混凝除油罐，废水和筒中的凝结剂将发生一系列化学反应。此外，化学法还包括离子交换法和膜析法等，其可以有效去除重金属离子，降低废水中的重金属含量。

2）物理处理技术：加强物理处理，在膜分离使用微滤和纳滤方法，可以进一步净化废水中的悬浮固体，可以更好地捕集废水中的某些物质，并更好地达到净化效果。同时，在废水处理中也可以使用多种方法，包括静置形式以及沉淀悬浮物质，以根据密度差进一步分离。过滤分离时要根据钢铁企业综合的相关要求配置滤芯，同时启用过滤器沉降功能，以进一步分解现有的颗粒物，从而达到整体效果。

3）生物法：主要通过反应器底部曝气产生的空气上升与载体中的大孔反复多次碰撞、切割，并被好氧微生物快速吸收反应。同时随着氧气的碰撞、切割和吸收反应，进入载体内部的氧气逐渐减少直至氧气消耗完毕，这样使每个载体内部生成良好的缺氧区、兼氧区和好氧区，使得载体的内部形成无数个微型的高效生物反应器，最终实现现有生物反应器高效降解有机污染物的目的。

3 绿色化学及其技术在水处理的应用

3.1 电催化氧化法

电催化氧化方法使用特殊的电极材料进行催化，以在电解过程中形成-OH-，并将有机污染物完全氧化为CO2和H2O。目前，电催化氧化法正逐步用于处理含有烃、醛、醇、醚、酚和染料的有机污染物，但实用的电极材料并不多，电极寿命短，能耗高。在实际应用中，必须解决有效抑制氢和氧的放出和其他副反应，提高电流效率以及改进供电方法等问题。

3.2 超声波降解技术

超声波降解技术的原理是超声波以一定的频率和强度作用于液相反应系统，使得液体的密度降低到足以破坏液体介质中瞬间形成的大量微小空化泡，使得能量在较小的空间中释放，导致瞬时局部高温（5 000K）和高压（5 017MPa），这可以极大地加速氧化还原反应，尤其是对于某些需要较高温度和压力的异相反应而言。该方法具有污染少或无污染，设备简单等优点，并具有杀菌消毒作用，是用于水处理的新技术。但是，由于能量转换效率与能量消耗的关系，因此在实践中尚未得到广泛应用。

3.3 光催化技术

目前，在我国普遍采用物理吸附、混凝等非破坏性水处理技术处理废水中的有机污染物。这种处理技术仅将有机污染物从原本的液相转移到固相，并未从根本上分解污染物，非常容易造成二次污染问题。虽然传统化学和生化技术可以对油污污染物进行破坏性处理，但是其效率低且效果不佳，而废水中的有毒有机物质含量远远超过相关排放标准。光催化技术可以有效提高化学、生化等的处理效率，迅速将有机污染物转化为分解为水和二氧化碳等无害物质。常见的光催化技术主要是应用N型半导体材料，最为典型的代表是TiO2，其具有高活性和良好的化学稳定性，应用最为广泛。可以说纳米TiO2的发现为工业废水的完全催化分解提供了一种方法。1976年，科学家发现，纳米TiO2在紫外线辐射的影响下，对于含氯有机化合物有非常好的脱氯效果，根据这一发现中国科学院使用纳米TiO2和12烷基苯磺酸钠水溶液进行试验，结果在阳光下暴露12h后，十二烷基苯磺酸钠几乎完全分解，且没有二次污染。另外，在处理无机废水时，由于无机物在纳米粒子的表面具有光化学活性，因此可以吸附汞、银、铂和其他具有高氧化态的贵金属离子，并利用光生电子将其还原成金属晶体。不仅可以消除废水的毒性，而且还可以从工业废水中回收贵金属。

3.4 纳滤膜技术

纳滤膜是一种纳米级的膜结构，其主要利用了纳滤技术的特性，该技术是新型压力膜分离技术，其过滤尺寸在反渗透（RO）和超滤（UF）之间，非常适合分离相对分子量在200~1 000的分子溶解组分。早在1993年，法国就在巴黎郊区建立了纳滤能力为2800m3/d的净水纳滤装置，处理的地表水用于生产饮用水。该过滤系统可有效去除农药和THAS前体。相比于超滤技术和防渗透技术，纳滤技术可以分离大多数有机小分子，而不影响无机盐的通过。而超滤技术的去除效率低，反渗透技术的去除效率虽然高，但会同时去除大量无机盐。因此，纳滤膜的应用克服上述两种技术的缺点。目前纳滤膜技术主要在以下情况中应用：

（1）无须截留单价无机盐时。

（2）分离不同价态的离子时。

（3）分离高分子量有机物时。目前，纳滤膜规模最大的应用是在软化水领域中，因此也有人将其成为水软化膜。纳滤膜在工作压力为0.55~0.7MPa时，可去除85%~95%的硬度和70%的单价离子。纳滤技术的主要优点是处理效果好，没有二次污染物，且成本低无须进行再生，可以完全滤除固体悬浮物与高分子有机物，且空间要求较低，因此纳滤膜技术在水处理方面的应用非常广泛，且具有较好的效果。当前主要有以下两种纳滤膜技术：

①天然微纳米材料膨润土：膨润土也被称为蒙脱石，分子尺寸在101~104μm，相当于纳米级，自然形成于亿万年前。膨润土具有很多微纳米材料的特性，其对于有机物有较好的吸附作用，因此可以用于澄清浑浊水。而由于其尺寸接近于纳米级，因此其间隙较小，可以用作密封剂密封放射性废物。此外，也可以用作废水排斥剂、水处理剂、清洁剂等，但在中国的研究和应用较少。膨润土用于处理废水废物去除率达99.5%。此外，膨润土还用于水软化剂和澄清剂中。例如，将膨润土洒在河流上游可以有效清除流域的污染物，并使其沉降。

②纳米级零价铁用于水处理：纳米级零价铁具有较高的化学活性，可以用于置换水污染中的重金属，比如含铬废水、染料废水等，尤其是在多氯联苯或六价铬的废水方面效果更好，主要可起到回收、微电解、凝结和吸附等效果。也可用于处理有机废水和含放射性铀的废水，不仅可以防止污染，而且可以缩短处理时间。

4 绿色化学及其技术在水处理中的发展前景

在全球工业快速发展的背景下，世界环境污染的压力越来越大，尤其是水环境污染更为严重，因此水污染处理越来越受到重视。对绿色化学及其技术的研究表明，绿色化学及其技术在水处理方面有非常多的优势，尤其是在有机物污染方面，具有巨大的效用，而有机物污染正是现阶段水污染的重点与难点。传统的物理法、化学法以及生化法对有机物污染的处理效率非常低，且易产生二次污染。而对绿色化学及其技术在水处理方面可以有效提高有机物的分解效率。分解后的有机物其主要的产物为CO2，H2O以及其他的无机离子。因此，绿色化学及其技术在水处理中应用优势是无与伦比的，尤其是纳米水处理研究成为当前水处理领域的研究热点。近年来，高效光催化剂、负载纳米颗粒和掺杂金属、光电复合催化剂等技术的研究与开发，使纳米TiO2水处理的光催化氧化成为最有前景的技术之一。

5 结束语

基于绿色化学的原理开发新的水处理化学品，通过低环境毒性的化合物逐渐取代具有高毒性的化合物，实现可持续发展是当前绿色化学极其技术研究的主要方向。这表明绿色化学及其技术集中于三个目标：生产率、环境和经济效益，是水处理发展的未来方向和趋势。