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盘点 | 2018年工业水处理领域的新科技

2019-10-10来源:数字化企业网


在过去的2018年,水处理领域出现了不少新奇的科技,每一次创新,或许在不久的将来都能为我们的生产与生活带来难以想象的改变。


今天,小编就来盘点一下2018年发布的几项创新科技。


来源:水世界订阅号


1、“三明治”纳米复合物问世,可同时移除废水及土壤中的铬和镉

中国科学院合肥物质科学研究院技术生物与农业工程研究所研究员吴正岩课题组在重金属污染修复方面取得新进展,该工作为同时移除水体和土壤中的六价铬(Cr(VI))和二价镉(Cd(II))提供一种新思路,具有较好的应用前景。相关成果已被美国化学会材料期刊ACS Applied Materials & Interfaces 接收发表(DOI: 10.1021/acsami.8b03379)。


随着工业的快速发展,大量重金属进入环境中,易通过食物链进入人体,对生态系统和人类造成严重危害。其中,Cr(VI)和Cd(II)是两种常见的共存重金属离子,具有较高的协同毒性。现有方法主要关注Cr(VI)或Cd(II)的单独去除,限制了这些方法的实际应用,迫切需要发展同时去除的方法。


课题组分别将硫化亚铁和功能化四氧化三铁沉积在棉布上,经面对面组合,制备出“三明治”纳米复合物。该系统可同时移除水体或土壤中的Cr(VI)和Cd(II)。该复合物易弯曲易回收,对于修复Cr(VI)和Cd(II)复合污染的水体和土壤具有较高的应用前景。


该工作得到中科院青促会项目、中科院STS项目、安徽省重大专项、安徽省环保项目等资助。


技术原理图


2、三维石墨烯管治污神器,光照两周污水变清


中科院上海硅酸盐研究所首席研究员黄富强带领的团队近日成功研发出治污新材料,光照2周内,可明显改善水质,帮助污水变清。相关成果今年初获“国家自然科学奖”二等奖,现已在上海、安徽、江苏等地成功示范。


黄富强介绍,新材料由三维石墨烯管和黑色二氧化钛混合而成,其原理是“物理吸附+光化学催化降解”。三维石墨烯管负责牢牢“抓住”有毒有机物,黑色二氧化钛作为光催化剂,可吸收高达95%的全太阳光谱,把有毒有机物降解为二氧化碳和水。



左图:在中科院上海硅酸盐研究所实验室内,课题组研究人员将治污新材料倒入富含大量油污的污水量杯,开始吸附效果时长测试。


右图:吸附效果测试结果显示,3分4秒后,量杯中的污水由明黄色变清澈,刺激气味随之消失。中科院上海硅酸盐研究所首席研究员黄富强带领的团队近日成功研发出治污新材料,光照2周内,可明显改善水质,帮助污水变清。 


过去一个月,团队在上海、安徽、江苏等地共铺设新材料光降解吸附网3000多张,覆盖水域近4万平方米。


在上海天山公园和中山公园,周围居民反映,湖底淤泥深厚,气味腥臭,湖面常有死鱼漂浮。将涂覆有新材料的光降解吸附网铺在湖面后,不动水底淤泥,吸附网就能将有机物分解为二氧化碳和水,进而提高水体含氧量,增强水体自净化和生态修复能力。上海轻工业环境保护技术研究所检测中心和江苏省环境科学研究院环境工程重点实验室的检测结果显示,治理仅7天后,化学需氧量、氨氮、总磷等代表性指标均从劣五类水改善至Ⅴ类水以上。


在安徽省合肥市肥东县,团队对定光河污染较严重的中上游河段进行了治理。肥东县环保局水环境管理科主任薛铁成说,定光河是典型的复合污染河道,这次治理后,各项水质指标提升60%以上。


据介绍,新材料还可降解印染废水、制革废水等工业污水,高效吸附其中有毒重金属,添加1克多孔新材料可吸附1.476克铅离子,简单酸化处理后,可被加工成高附加值材料。目前该成果已走出实验室,实现规模化制备,获得发明专利50多项。


3、中科院研发出“磁性两面神微球”,微小油滴分离效率高达99%


中国科学院理化技术研究所研发出“磁性两面神微球”,只需两分钟左右就可分离出水中的微小油滴,分离效率高达99%。


近年来,随着工业、生活中含油废水的大量排放,以及船舶排放、海上原油泄漏事故的多发,水中油污染已成为危害人类健康及环境安全的重大问题。“磁性两面神微球”为开发新一代油水分离材料提供了新思路。


  • 传统方法很难满足实际需求


一般来说,油在水中的存在形式根据油滴的粒径可以分为三类:油滴粒径大于150微米,称为浮油,这也是油进入水体的主要存在形式;油滴粒径在20—150微米之间,称为分散油;油滴粒径小于20微米,称为乳化油。不管是表面活性剂稳定的油滴,还是无表面活性剂稳定的油滴,极小的乳化油以油包水或水包油的形式,悬浮于水中,非常稳定。


油水分离传统的方法包括物理法、化学法、物理化学法、电化学法和生物法等。这些方法通常是根据油水分离处理的实际情况,单独一种或几种组合使用,传统方法由于存在分离效率低、占地面积大、分离成本高、容易产生二次污染、高能耗等问题,很难满足油水分离的实际要求。


  • 超小乳化油滴难以水油分离


“油水分离从本质上说是界面科学的问题。”王树涛研究员说,近年来,科研人员从油水分离的科学本质问题出发,从材料的浸润性上入手,利用材料表面对油和水具有不同的浸润行为,如同时具有超疏水和超亲油性质,或同时具有超亲水和超疏油性质,发展了一系列超浸润性油水分离材料,如超浸润膜、超浸润海绵等。



这些超浸润材料在分离浮油甚至是表面活性剂稳定的油水混合物方面,达到了以往方法和材料所难以实现的高效性和高选择性。然而,王树涛强调,由于油水混合物的复杂性,水中无表面活性剂稳定的微小油滴的分离往往被忽略,由于这些油滴在水中的粒径小于20微米,水油结合往往非常稳定,传统方法很难高效、快速地将油滴去除。


因此,研究和发展新型的从水中分离微小油滴的方法和材料显得尤为迫切。这也是新型油水分离材料“磁性两面神微球”问世的缘由之一。


  • 独特结构高效抓取小油滴


“磁性两面神微球”只需两分钟左右就可分离出水中的微小油滴,分离效率高达99%,而且适用于不同比例、不同种类的油水混合物。为何能获得如此高效的清除效果?


这依赖于其独特的“抓手”结构。之所以称之为“磁性两面神微球”,是因为微球具有凸面亲水/凹面亲油的两面性质,其亲油的“抓手”能和水中的微小油滴在结构上形成很好的匹配。当把它加入到油水乳液中时,其亲油“抓手”能有效捕捉水中的微小油滴,在结构上发生互补匹配,形成雪人状结构。它还能在剧烈的晃动过程中,大幅降低油水界面张力,促使那些被捕捉到的微小油滴合并形成大油滴,从而使得油水乳液快速分层。


最后,“磁性两面神微球”在油水界面发生自组装,即紧密地排列在大油滴的表面。在外加磁场作用下,稳定结合在一起的大油滴会朝着磁场方向运动,最终实现油水分离。


4、借助陶瓷基碳纳米管复合膜,实现高盐废水零排放


大连理工大学环境学院环境污染控制工程研究室董应超教授及合作者Michael D.  Guiver等人在高性能陶瓷基复合膜的设计制备及高盐废水处理方面取得重要进展。


废水零排放是解决水污染和水资源危机,实现资源回收的重要途径,是亟待解决的重要环境问题。与现有的热蒸馏和其他膜法脱盐技术相比,膜蒸馏作为一种新兴的分离技术,有望经济高效地实现高浓度含盐废水的零排放。如果能够充分利用工业余热或废热等低品位热源,膜蒸馏(MD)将极具竞争力。MD的核心是操作稳定的多孔疏水膜,然而,现有部分有机高分子聚合物膜和疏水改性无机膜的长期热稳定性和疏水性差,随之带来的膜浸润、膜污染、通量和脱盐率的衰减等问题是限制其进一步工程应用的技术瓶颈,国际上,如何开发新型膜材料,同时提高操作稳定性和膜性能,是科学家们重点研究的挑战性工程科学问题之一。


针对上述难点问题,基于团队在陶瓷膜载体制备方面的前期工作基础,研究团队另辟蹊径,创新地提出了新型结构-超疏水陶瓷基碳纳米管脱盐膜的整体概念设计和应用策略,充分利用了CNT的疏水性、耐热稳定性和导电性,以(耐热、高强度和高渗透性)多孔陶瓷膜为载体,设计并制备了一种耐热超疏水性能优异的新型结构“陶瓷-碳纳米管”复合膜。该膜具有特殊设计的膜结构、优异的操作稳定性和膜蒸馏性能,使其有望成为下一代高效分离膜。同时采取电化学辅助直接接触膜蒸馏(e-DCMD)的方法强化了膜抗有机污染(以腐殖酸为例)的能力,实现了高盐废水的高效稳定处理。  


图 FC-CNT膜的结构示意图和突出的性能


该工作中膜结构与应用的设计思想具有普适性,预期将适用于制备其他陶瓷或无机载体的高性能复合膜以及废水和气体处理等应用。膜载体不局限于低成本尖晶石,更适用于其他更常见的陶瓷载体,例如氧化铝、二氧化钛、莫来石和氧化锆等。减缓膜污染也不局限于腐殖酸,通过定量调控复合膜的电负性,预期也可实现减缓不同荷电特性物质的膜污染。膜应用也不局限于海水淡化和高盐废水处理,预期也适用于含有非挥发性溶质废水如重金属、大分子和胶体等各类废水体系,乃至气体净化等领域。未来的工作还将集中在利用耦合技术如膜结晶和膜法能源提取技术(压力阻尼渗透(PRO)和反向电渗析(RED)及其复合工艺),实现从高盐度废水中提取矿物盐或回收绿色渗透能。该研究的结果将为环境应用新型无机陶瓷复合膜的设计和制造提供了新思路和技术参考。


5、中科院宁波材料所利用正渗透膜研发便携式海水淡化器


对于执行特殊任务的士兵、船舶工作人员,以及户外探险爱好者等群体来说,便携、高效的应急淡水供应装备必不可缺。


中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋环境材料团队突破相关技术瓶颈,生产出“便携式”正渗透海水淡化膜装置,将转化效率提升至同类产品的2.5倍以上。


海水淡化即利用海水脱盐生产淡水,是缓解沿海地区与城市用水危机最重要的方法之一。预计到2020年,我国沿海地区的高用水企业的工业冷却水基本上由淡化海水供给。


世界上有十多个国家的一百多个科研机构在进行着海水淡化的研究,有数百种不同结构和不同容量的海水淡化设施在工作,在实践中被认为行之有效的方法主要有以下几类:第一类是蒸馏法,包括多级闪蒸法(MSF)、压气蒸馏法(VC)、多效蒸馏法(MED)等;第二类是膜法,包括反渗透法(RO)、电渗析法(ED)等;第三类是其他方法,如冷冻结冰法、溶剂萃取法、露点蒸发淡化技术等。


目前全球海水淡化技术中较多利用的是“反渗透”,产能占到65%。但“反渗透”是个复杂的工程,不仅占地规模大、能耗高,而且运行与维护成本高,不适宜小规模的应用与推广,难以保障突发事件中应急营养液的有效供给。


海水淡化的主要方法(图片源自:前瞻产业研究院)


宁波材料所团队研发的“便携式”海水淡化器则基于“正渗透”技术。所谓正渗透,是指水通过选择性半透膜,从低浓度溶液的一端转移到高浓度溶液的一端,而溶质被截留的过程;这是一个自发渗透过程,不需要外加压力驱动,能耗低,能够进一步降低“海淡水”成本。这项前瞻性技术,近年来备受国内外科研机构关注,但目前仍然难以见到成熟的正渗透膜及正渗透海水淡化装置与设备。


宁波材料所团队在材料研制上取得了突破。研究人员对支撑膜孔结构进行精细调控,再对其进行表面修饰,得到性能优异的正渗透膜材料:断面为互穿网络结构,膜强度高;PAA的羧基则赋予膜更强的亲水性,利于水分子的快速通过,提高水通量。


利用这一“升级版”正渗透膜,团队将其四边胶封成器件,应用于应急海水淡化领域。检测结果显示,其海水淡化效率达到在该领域领先的美国HTI(Hydration Technologies Inc)公司同类产品的2.5倍以上。


不需任何内芯,简单的清洗即可恢复膜的‘脱盐’能力,在处理高污染水体方面具有显著优势。这一便携装置用途广泛,能够为在海上与野外等特殊场所执行特殊任务的兵士、偶遇突发事件的舰艇与船舶的工作人员、面临突发自然灾害与水路污染的民众供给应急淡水,维系生命。


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