綠色化學(xué)理念在水處理中的應(yīng)用
綠色化學(xué)是現(xiàn)今國際化學(xué)研究的前沿，其根本理念是從源頭消除污染，是最為理想的環(huán)境污染防治方法。闡述了綠色化學(xué)的理念，并介紹了以綠色化學(xué)為基礎(chǔ)的綠色水處理技術(shù)和綠色水處理藥劑。
綠色化學(xué);水處理技術(shù);水處理劑
人類進(jìn)人2l世紀(jì)，面臨著全球性水資源枯竭和水環(huán)境污染的問題。如何解決水處理工業(yè)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)之間持續(xù)、健康、和諧的發(fā)展是未來水處理工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，一場(chǎng)以綠色化學(xué)為基礎(chǔ)的綠色水處理革命已成為2l世紀(jì)水處理科學(xué)的學(xué)科前沿和水處理工業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向。
1. 綠色化學(xué)
20世紀(jì)是化學(xué)工業(yè)蓬勃發(fā)展的世紀(jì)，也是人們逐步認(rèn)識(shí)其對(duì)人類健康、社區(qū)安全、生態(tài)環(huán)境有危害性的世紀(jì)。1992年6月，在巴西里約熱內(nèi)盧召開的聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會(huì)，通過了“2l世紀(jì)議程”，1995年3月16日美國宣布了“總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)計(jì)劃”，提出了綠色化學(xué)的概念，環(huán)境友好化學(xué)、清潔化學(xué)、綠色技術(shù)等名詞相繼出現(xiàn)。根據(jù)美國環(huán)保署P．T．Anastas的定義，綠色化學(xué)就是用化學(xué)的技術(shù)和方法，從根本上減少或消除對(duì)人類健康和環(huán)境有害的原料、產(chǎn)物、副產(chǎn)物、溶劑等的產(chǎn)生和應(yīng)用。它的核心特點(diǎn)是“原子經(jīng)濟(jì)性”，即在獲取新物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程中充分利用每個(gè)原料原子，實(shí)現(xiàn)“零排放”。
綠色化學(xué)的研究目標(biāo)是運(yùn)用物理和化學(xué)方法，研究和開發(fā)環(huán)境友好的新反應(yīng)、新工藝、新技術(shù)、新產(chǎn)品，站在可持續(xù)發(fā)展的高度，實(shí)現(xiàn)資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。由此可見，綠色化學(xué)的理念是從根本上消除污染源，使廢物不再產(chǎn)生或得到控制，因此綠色化學(xué)是從源頭徹底控制污染的化學(xué)。近年來，為實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，在水處理技術(shù)和水處理藥劑的研究、開發(fā)、應(yīng)用中進(jìn)一步實(shí)施綠色化學(xué)理念是2l世紀(jì)水處理發(fā)展的重要方向之一。
2. 綠色水處理技術(shù)
2.1 高級(jí)氧化技術(shù)(AOP5)
AOP5主要包括O3/UV法、UV/固相催化劑法、H202/UV法、H202/Fe2+ 法、03/H202法等。其原理是反應(yīng)中產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)的-OH，-OH能夠無選擇性地氧化水中的有機(jī)污染物，使之完全氧化為CO2和H2O。AOP5技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)、無毒、無污染，是典型的綠色水處理技術(shù)，其中由于光催化氧化法最為經(jīng)濟(jì)而成為研究的熱點(diǎn)。
2.2 超臨界水氧化法(SCWO)
超臨界水是指在溫度和壓力分別超過臨界狀態(tài)溫度374。C和臨界壓力22MPa時(shí)，處于超臨界狀態(tài)的水。超臨界水對(duì)有機(jī)物和氧氣都是極好的溶劑，有機(jī)物的氧化可以在富氧的均一相中進(jìn)行，反應(yīng)不會(huì)因相間轉(zhuǎn)移而受限制。
SCWO具有無需催化劑、停留時(shí)間短、去除效率高、清潔、廣譜等優(yōu)點(diǎn)，可用于化工、醫(yī)藥、食品、軍事工業(yè)和核工業(yè)廢水以及城市污水的處理。但目前國內(nèi)大多僅是實(shí)驗(yàn)室的研究。
2.3 電催化氧化法
電催化氧化法利用電解時(shí)特種電極材料的催化作用產(chǎn)生-OH，使有機(jī)污染物完全氧化為CO2和H2O。該法處理效果好且速度快，占地面積小，實(shí)施過程無污染，后處理簡(jiǎn)單，不產(chǎn)生毒害中間產(chǎn)物，是一種綠色水處理技術(shù)。
目前，電催化氧化法在含烴、醛、醇、醚、酚及染料等有機(jī)污染物的處理中逐漸得到應(yīng)用，但是尚存在實(shí)用化的電極材料不多，電極壽命不長(zhǎng)，能耗較大等缺點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用方面，需要解決有效抑制析氫析氧等副反應(yīng)，提高電流效率，改進(jìn)填料、電源方式等問題。
2.4 超聲波降解技術(shù)
超聲波降解技術(shù)的原理是：在超聲波以一定頻率與強(qiáng)度作用于液相反應(yīng)系統(tǒng)時(shí)，液體的密度降低到足以使液體介質(zhì)中“撕裂”出大量瞬間生成又瞬時(shí)崩潰的微小“空化泡”，從而將聲場(chǎng)的能量集中起來。在壓縮過程中，已存在的空化泡被大大壓縮、崩潰，在極小的空間內(nèi)將能量釋放出來，產(chǎn)生瞬時(shí)局部高溫(5000K)和高壓(50．7MPa)，即所謂的“熱點(diǎn)”，空化過程中伴隨著的高溫可導(dǎo)致自由基-OH、HO -、H-和超臨界水的形成及聲致發(fā)光現(xiàn)象，高壓將在液體中產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波(均相)或高速(>110m/s)射流(非均相)，可以大大加速與促進(jìn)氧化還原分解反應(yīng)，特別是非均相反應(yīng)的進(jìn)行，使一些需要在較高溫度與壓力等條件下的反應(yīng)可在常態(tài)下順利進(jìn)行。
該法具有少污染或無污染、設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還有殺菌消毒功效，是一種很有潛力的水處理新技術(shù)。但由于能量轉(zhuǎn)化效率和能耗的關(guān)系，還未在實(shí)際中大規(guī)模的使用。
2.5 膜分離技術(shù)
膜分離技術(shù)是一項(xiàng)新興的高效分離技術(shù)，它具有物質(zhì)不發(fā)生相變，分離系數(shù)大，在常溫下進(jìn)行，裝置簡(jiǎn)單，適用范圍廣，操作方便等特點(diǎn)。在廢水處理中可實(shí)現(xiàn)水的閉路循環(huán)，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的綠色理念，在水處理技術(shù)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。它包含微濾、超濾、滲析、電滲析、納濾和反滲透、滲透蒸發(fā)、液膜等。
膜分離技術(shù)在環(huán)境保護(hù)的各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)應(yīng)用于含油廢水、電廠循環(huán)冷卻水、飲用水的深度處理、鍋爐脫鹽水、高濃度生活污水等處理過程中。但是，膜法對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求高，膜需要定期清洗，存在著經(jīng)常費(fèi)用和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用較高的問題。
3. 綠色水處理藥劑
3.1 含磷的水溶性聚合物
含磷的水溶性聚合物是一類比.較特殊的磷聚合物，是由無機(jī)次磷酸鹽與一種或兩種以上有機(jī)單體共聚而成，其特點(diǎn)是將羧酸基與磷酸基結(jié)合在同一個(gè)分子上，其所得產(chǎn)物結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，性能差異也較大。按膦基所處的位置，含磷聚合物可分為兩類：一類是聚膦基羧酸(簡(jiǎn)稱PAC)，其特點(diǎn)是膦基處于聚合物中間位置，這類聚合物主要是對(duì)碳酸鈣垢有效，復(fù)配后對(duì)抑制碳酸鈣垢以及分散粘泥和氧化鐵亦有協(xié)同效果；另一類則被稱之為膦；人(簡(jiǎn)稱POCA)，其特點(diǎn)是膦基在聚合物的一端，它在冷卻水中既能阻垢又能緩蝕，并且有很強(qiáng)的鈣容忍度，與氯幾乎不起反應(yīng)，被認(rèn)為是真正的多功能藥劑 。含磷水溶性聚合物的磷含量一般低于3%，如果其用量為5mg/L，則整個(gè)循環(huán)冷卻水體系的含磷量?jī)H0.15 mg/L左右，這樣低的磷系配方意味著此類含磷水溶性聚合物部分回歸了大自然，對(duì)環(huán)境保護(hù)十分有利，具備了綠色水處理劑的特點(diǎn)。
3.2 烷基環(huán)氧羧酸鹽
烷基環(huán)氧羧酸鹽(AEC)的特點(diǎn)是無毒、能耐氯、耐溫，有特別優(yōu)良的碳酸鈣阻垢性能，可以取代有機(jī)膦酸的無磷閾值阻垢劑。當(dāng)與一些無機(jī)鹽(磷酸鹽或鋅鹽等)復(fù)配時(shí)，對(duì)碳鋼具有緩蝕作用，因而可組成低磷或低鋅配方，用于高pH值、高堿度、高硬度、高濃縮倍數(shù)的冷卻水系統(tǒng)，并為環(huán)境所接受。
AEC循環(huán)水處理技術(shù)在國內(nèi)已有應(yīng)用，系統(tǒng)的腐蝕和結(jié)垢情況均得到了很好的控制。
3.3 聚天冬氨酸類(PASP)
PASP是一種水溶性的氨基酸可降解聚合物，主要包括聚天冬氨酸及其鈉鹽或酯，是以天冬氨酸或馬來酸為原料，在催化劑作用下聚合而成，對(duì)碳酸鈣阻垢效果最佳，相對(duì)分子量范圍為1000～4000。此外，聚天冬氨酸對(duì)磷酸鈣、硫酸鈣及硫酸鋇等也有優(yōu)異的阻垢性能，且具有生物降解性，是一種可與環(huán)境相容的綠色水處理阻垢劑。
3.4 聚環(huán)氧琥珀酸類(PESA)
PESA是一種無磷、非氮并具有良好生物降解性的綠色阻垢劑，具有很強(qiáng)的抗堿性，在高鈣、高硬度水中，其阻垢性能明顯優(yōu)于常用的有機(jī)膦酸類。一般說來，具有最佳阻垢效果的PESA產(chǎn)品的分子量范圍為400～800。
有研究表明，PESA的可生物降解性非常好，過程很迅速，且PESA分子中無磷無氨，不會(huì)引起水體的富營養(yǎng)化，對(duì)環(huán)境保護(hù)是有利的。
4. 結(jié)語
綠色化學(xué)的理念其根本就是人與自然的和諧相處和可持續(xù)發(fā)展，其出發(fā)點(diǎn)是從根本上將“先污染后治理”及“防治污染”變?yōu)?ldquo;避免污染”的戰(zhàn)略，是從根本上消除污染源，從源頭控制污染的化學(xué)。隨著人類社會(huì)的發(fā)展，水處理綠色化的進(jìn)程勢(shì)必加快，一是要開發(fā)高效、低毒或無毒、低能耗、無二次污染的綠色水處理技術(shù)，特別是光、聲、磁、電、膜技術(shù)等多種工藝聯(lián)用的新型綠色技術(shù)；二是要開發(fā)無毒、無害、易生物降解的綠色水處理藥劑，特別是開發(fā)在目標(biāo)分子、原材料反應(yīng)的試劑、反應(yīng)的方式和條件等要素中都是“環(huán)境友好”型的藥劑。相信隨著綠色化學(xué)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，人類必將能夠越來越好的解決水污染問題，做到真正的可持續(xù)發(fā)展。
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