分子層面的凈水夢想
與傳統(tǒng)的水處理方法相比,納米凈水處理占地小,人力和能源消耗少,這使它有可能成為幫助發(fā)展中國家乃至全球緩解已經(jīng)來臨的水危機的一個重要途徑
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“如果要看納米凈水處理的實驗裝置和現(xiàn)場操作,你可能得稍等幾天。很久不用,我已經(jīng)把它們移到了另一個實驗室里,估計不經(jīng)過一番清理和調(diào)試,一下子沒法兒用。”6月中旬的一天,華東理工大學納米催化研究室主任陳愛平在電話里告訴希望前去觀摩這項技術的記者———七年前,這位長期從事超細材料制備與應用研究的高校教師曾與同事合作研制過一臺納米凈水裝置。
對于近年來隨著“納米熱”的退潮而多少有些降溫、市場需求眼下也還未清晰呈現(xiàn)的納米凈水技術,像陳愛平這樣至今仍有興趣來談論它的業(yè)內(nèi)人士并不多。記者曾聯(lián)系上海市納米技術孵化基地里的三家企業(yè),相關人員都對這個話題沒有太大的興趣,稱自家的產(chǎn)品還有待改進。
然而,自去年年底起,很多城市都陸續(xù)加入了自來水漲價的大合唱中。尤其最近兩個月以來,包括上海、天津、沈陽、廣州、南京等多個大中城市都已經(jīng)舉行了水價上調(diào)聽證會。一股水費提價的“熱浪”正在興起。水價通漲背后隱含的是我國水資源極度短缺、水質(zhì)污染嚴重、處理成本攀升、利用效率低下的現(xiàn)實。
納米凈水之夢
全世界現(xiàn)在大約每8人中就有1人無法獲取安全的水源。聯(lián)合國預測,到2025年,全世界將有超過1/3的人口面臨嚴重缺水。工業(yè)發(fā)展加上氣候變化和人口增長的壓力,更使水資源問題對于發(fā)展中國家變得尤為緊迫。
在相對滯后和寬松的水資源保護立法下,發(fā)展中國家普遍原水質(zhì)量差。傳統(tǒng)的自來水廠采用“絮凝———沉淀———過濾———消毒”的處理工藝,成本高,卻無法解決出廠水濁度、嗅味等感官性指標差,有機物、內(nèi)分泌干擾物去除率低等問題。一些城市的居民反映自來水中有明顯的漂白粉氣味,據(jù)調(diào)查,是因為自來水廠使用過量液氯消毒。一位國內(nèi)自來水廠的工作人員十年前去日本參觀時,驚訝地發(fā)現(xiàn)日本的原水水質(zhì)竟比國內(nèi)自來水廠出廠水的水質(zhì)還好。
那天下午的話題———目不可及的介觀納米世界因而在一定意義上寄托一個迫切的夢想。百萬分之一毫米,也就是人類頭發(fā)直徑的六萬分之一,人類在這一尺度上對物質(zhì)的操縱就像用各種很小的樂高積木搭建一個超大的彩色模型,理想結構的建立變得相對容易。在水處理中,這意味著可能創(chuàng)造最完美的不同凈化材料和結構的組合,達到最好的污染物處理效果。
過去十年的研究表明,與傳統(tǒng)的水處理方法相比,納米凈水占地小,人力和能源消耗少,這使它有可能成為幫助發(fā)展中國家乃至全球緩解已經(jīng)來臨的水危機的一個重要途徑。
目前,歐洲、日本和美國正在開發(fā)一些諸如從水源中除砷的納米水處理方法,不少發(fā)展中國家也正在向利用納米技術凈水的研究項目投資:
一個印度、巴西和南非三國科技部之間的南南合作研發(fā)項目———IBSA納米技術項目提出將納米過濾和超濾膜、偏遠和農(nóng)村地區(qū)使用的納米水凈化系統(tǒng),以及碳納米凝膠、納米管和納米纖維作為三個優(yōu)先研究領域；南非的西北大學建起一個水處理廠,利用納米超濾膜清潔一個村莊的含鹽地下水,從而產(chǎn)生供給家庭和社區(qū)的安全飲用水；在巴西,農(nóng)業(yè)研究公司Embrapa希望利用納米過濾器開發(fā)一種生物消化系統(tǒng),將灌溉用水清潔成飲用水。同時,它還在開發(fā)磁性納米顆粒用于處理被殺蟲劑污染的水；中東雖然在接受納米技術方面落后于其他發(fā)展中國家,但情況也正在改變:沙特政府正在資助先進的實驗室研究納米水處理技術。阿卜杜勒-阿齊茲國王科學技術城有一個與IBM合建的納米技術中心,研發(fā)用于海水淡化的納米膜。
雷聲大,雨點小
但在中國,它似乎長期停留在“雷聲大,雨點小”的狀態(tài)。國家科技部的最新研究報告表明,在這個行業(yè),多數(shù)企業(yè)只是把“納米”概念作為一個幌子,以提升企業(yè)知名度；一些地方政府則為了政績,通過行政手段實行簡單的“拉郎配”。“目前市場上使用‘納米’概念的凈水器很多,但真正意義上用納米科學的原理來凈水的恐怕并不多。”陳愛平說。他給記者舉了個例子:用于污水處理的納米吸附劑由許多納米顆粒堆積成的塊狀材料填充到一個吸附塔之類的反應器里構成。塊狀材料有大孔(直徑大于50納米)、中孔(直徑介于2納米到50納米之間)和微孔(直徑小于納米)等孔道結構,材料的比表面積(納米材料的外表面積與內(nèi)表面積之和/重量)越大,吸附效果就越好。由于水中的污染物種類非常復雜,吸附劑的大、中、微孔相應需要有一個比較好的比配,對于納米顆粒成型的塊狀吸附劑填料的結構也有一定的要求。最好的吸附劑是各種大小孔道的數(shù)量匹配和結構架設都比較好的。
在陳愛平的實驗室里,記者看到了塵封已久的納米二氧化肽光催化飲用水凈水瓶樣品,它由自來水儲水瓶、多孔陶瓷粗濾芯、負載在螺旋彈簧狀載體上的納米光催化劑凈水柱、活性炭凈水柱、礦化柱以及凈化水儲罐等組成。
陳愛平告訴記者,2002年的時候,他與合作者曾找到家用凈水設備“水管家”的生產(chǎn)商———上海復旦申花凈化技術股份有限公司,希望在廠家原有產(chǎn)品的一系列水凈化環(huán)節(jié)中加入他們設計的光催化環(huán)節(jié),以取代原產(chǎn)品中的一個“紫外消毒柱”,以提高殺菌滅毒效率,同時降解水中各種有機污染物和還原重金屬離子。“廠家認為我們提供的光催化劑還是有實際效果的,但如果照我們的設計,每臺機器的成本就要增加150元,占到整臺機器售價的百分之十左右。另外,由于納米材料是負載在一個玻璃彈簧填料型的載體上,考慮到保證催化劑作用的正常發(fā)揮,我們沒有使用高溫灼燒或粘合劑等納米光催化劑的負載化技術,所以光催化劑顆粒在水流的長期沖刷下,有一些脫落,該技術最后還是沒有被采用。”
屬于未來的產(chǎn)業(yè)
這個沒能走出實驗室的產(chǎn)品折射出納米凈水處理技術的應用推廣在現(xiàn)階段中國面臨的兩大爭議:高投入的性價比以及安全保障問題。
其實不僅是在納米凈水領域,整個納米行業(yè)都面臨同樣的問題。如果不對技術效果有高要求,已有的技術確實也馬馬虎虎夠用。比如家用凈水器,目前基本上是使用活性碳加臭氧來吸附異味和異物,進行殺菌、消毒,新型的納米凈水劑固然具有10-20倍的吸附能力。但在人們的直觀感受中,這種超高精度的處理似乎超出了日常生活的需要,或者說,在當代風險重重的人造系統(tǒng)中,人們并不認為僅靠100%的純凈水就可以保障絕對的健康。陳愛平認為,納米產(chǎn)業(yè)屬于未來產(chǎn)業(yè),當前市場需求度低是產(chǎn)品成本無法下降的一個主要原因。
除了納米二氧化鈦光催化氧化技術和納米吸附材料,納濾膜技術是進行大規(guī)模污水處理的一種重要手段。20世紀70年代,以色列海水淡化工程公司將介于反滲透與超濾之間的膜分離稱為“雜化過濾”,美國的一家膜技術公司根據(jù)相應膜的殘留相對分子質(zhì)量和膜孔徑尺寸大約為一至幾個納米的特征,將這種膜技術稱之為納濾。它在飲用水軟化、有機物脫除、受污染地下水處理、含金屬廢水處理和造紙廢水處理中都能夠發(fā)揮巨大作用。據(jù)悉,由韓國世韓公司生產(chǎn)的納濾膜在中國進行的飲用水處理實地測試和在伊朗進行的海水淡化測試都已證明,使用納濾膜需要的能源可以少于逆滲透技術。
創(chuàng)新與風險
除了直接經(jīng)濟效益的制約外,另一個抑制納米凈水技術成果轉化的因素,是多年來學界和社會關于納米技術所含風險的爭論。全世界的科學家正在調(diào)查納米顆粒對各種生命形式的影響。有人擔憂它們的小尺寸意味著它們可能很難控制,可以通過不同的屏障并到達諸如人的大腦和心臟等敏感器官,并且很難從人體內(nèi)清除,因而,接觸納米材料———在水處理廠操作它們或飲用了處理后的水中的納米材料———其潛在的風險不容忽視；有人擔憂納米顆粒增強的活性使它們具有更大的毒性,也可能更容易逃逸到環(huán)境中,破壞水、陸環(huán)境并影響動植物。
倫理學者引用德國技術倫理學家胡比希曾經(jīng)的描述———“政治家想達到技術的目的,工程師想達到技術指標,消費者想達到技術的功能,無人對技術的惡用負責,出現(xiàn)問題也互相推諉”,以此要求對利用納米技術進行水處理的潛在健康和環(huán)境風險進行更多的研究,并厘清技術應用中的責任關系,依據(jù)法律來追究肇事者的責任。但即使是在立法相對細化的美國,其立法也是根據(jù)傳統(tǒng)的安全標準和對其進行監(jiān)控的能力進行的。美國環(huán)境保護署的前助理行政官特里·戴維斯說:“我們沒有任何關于空氣中或水中納米粒子的參考標準,對含有納米粒子的東西已做了一些抽樣檢驗,但目前仍不清楚應該監(jiān)控些什么。在水中,仍不能檢測出納米粒子……即便這些東西可被測量,也沒有人知道如何控制它們。”2007年初,作為英國政府顧問機構的科學技術委員會發(fā)出警告:對納米材料毒性及其對健康與環(huán)境影響的實際研究遠比承諾的要少,并認為迫切需要編制一個戰(zhàn)略性計劃以支持此項研究。美國雖然已由政府主導,在納米技術對EHS(環(huán)境Environment、健康Health、安全Safety的縮寫)的影響研究上投入了1100萬至6000萬美元的巨額經(jīng)費,但至今沒人能夠確切地說出這筆錢究竟辦了些什么事情。瑞士再保險公司是世界上最大的保險公司之—,他們也承認目前保險公司在這方面還不具備足夠的風險評估能力。
技術創(chuàng)新的鼓舞和技術風險的困擾如同一匹馬身上的兩根韁繩,讓納米技術在水處理問題上尤其進退維谷。未來最需要納米凈水技術的可能還不是城市高檔小區(qū)的居民,而是住在水源稀少的地帶或衛(wèi)生條件落后的城市貧民區(qū)、沒有其他途徑可獲得安全水源的人們。他們受教育程度的相對落后,對新技術的掌握能力可能比較困難,要一個地區(qū)接著一個地區(qū)地幫助、指導他們合理使用新技術,也不是一項簡單的工程。
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