綠色化學(xué)及其技術(shù)在水處理的應(yīng)用

劉召云

（大同師范高等?？茖W(xué)校，山西大同 037039）

1 綠色化學(xué)概述

1）綠色化學(xué)也稱為環(huán)境友好化學(xué)，是指基于原子經(jīng)濟(jì)學(xué)基本原理的化學(xué)反應(yīng)和過程，即充分利用所涉及原材料的每個(gè)原子。從通過化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)新物質(zhì)開始，就采用科學(xué)的方法來防止污染，實(shí)現(xiàn)零排放和零污染的目標(biāo)。因此，綠色化學(xué)的主要特點(diǎn)是：

（1）充分利用資源和能源，并使用無毒無害的原料。

（2）在無毒無害的條件下進(jìn)行反應(yīng)，以減少廢物向環(huán)境的排放。

（3）改善原料的利用率，使原料的所有原子參與化學(xué)反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)零排放。

（4）生產(chǎn)對(duì)環(huán)境保護(hù)、公共安全和人類健康有用的環(huán)保產(chǎn)品。為了更清楚地表達(dá)綠色化學(xué)在資源利用中的需求，人們提出了5R理論：

①減量（Reduction）：從節(jié)約資源和減少污染的角度出發(fā)，提出確保產(chǎn)量最為重要的是提高轉(zhuǎn)化率和減少損失率，并減少廢氣、廢水和廢物（副產(chǎn)品）的排放，并符合排放標(biāo)準(zhǔn)。

②重復(fù)使用（Reuse）：通過重復(fù)使用降低成本并減少化學(xué)工業(yè)中的催化劑或載體之類的浪費(fèi)。

③回收（Recycling）：包括回收未反應(yīng)的原料、副產(chǎn)物、催化劑等。

④再生（Regeneration）：將廢物變成原料，是節(jié)省資源、節(jié)省能源和減少污染的有效方法。在開發(fā)工藝流程時(shí)，有必要考慮到原材料的再生。

⑤拒用（Rejection）：避免使用不可替代的原材料，這些原材料無法在化學(xué)過程中進(jìn)行回收和再利用，且有毒或?qū)Νh(huán)境污染有重大影響。

2）化學(xué)對(duì)生活的影響非常巨大。綠色化學(xué)是一種新方法，除了在過程結(jié)束后控制廢物外，還要求在整個(gè)化學(xué)過程中減少廢物，甚至實(shí)現(xiàn)零排放，以提高生產(chǎn)效率。簡(jiǎn)而言之，綠色化學(xué)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）減少排放或?qū)崿F(xiàn)零廢物排放。

（2）開發(fā)安全產(chǎn)品和安全流程。

（3）使用生命周期評(píng)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資源。

2 水處理現(xiàn)狀

目前，水污染在生活中隨處可見，主要來源為生活廢水和工業(yè)廢水，其中工業(yè)廢水為主要來源。工業(yè)廢水的主要危害是含有有機(jī)化學(xué)品、鹽、重金屬、放射性元素等，對(duì)環(huán)境造成危害。尤其是會(huì)污染地下與地上水資源，嚴(yán)重影響環(huán)境。就目前的情況而言，廢水處理仍然存在許多困難，在許多企業(yè)的處理過程中，沒有有效技術(shù)手段，這在地表水和地下水的協(xié)調(diào)處理中造成了許多問題，并對(duì)人們的生活造成了負(fù)面影響。為了更好地防止企業(yè)綜合過程中的污染問題，需要嚴(yán)格控制廢水處理，以更好地保持總體處理效果。而生活污水主要是有機(jī)物污染較為嚴(yán)重，其可以導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，造成多種環(huán)境問題。當(dāng)前在水處理中主要應(yīng)用的污水處理技術(shù)如下：

1）傳統(tǒng)化學(xué)方法：包括沉淀法、中和法和氧化法。是通過向廢水中添加適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)物質(zhì)，并與廢水中的污染物發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)沉淀、中和或者氧化還原的效果，從而實(shí)現(xiàn)水處理的效果。大多數(shù)廢水處理都使用化學(xué)方法，其可以有效去除膠體和可溶性物質(zhì)。例如，混凝沉淀法在整個(gè)過程中使用凝結(jié)劑吸收靜電膠體顆粒，從而可以更好地通過絮凝劑去除污染物?；炷恋矸ㄖ惺褂玫脑O(shè)備是混凝除油罐，廢水和筒中的凝結(jié)劑將發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)。此外，化學(xué)法還包括離子交換法和膜析法等，其可以有效去除重金屬離子，降低廢水中的重金屬含量。

2）物理處理技術(shù)：加強(qiáng)物理處理，在膜分離使用微濾和納濾方法，可以進(jìn)一步凈化廢水中的懸浮固體，可以更好地捕集廢水中的某些物質(zhì)，并更好地達(dá)到凈化效果。同時(shí)，在廢水處理中也可以使用多種方法，包括靜置形式以及沉淀懸浮物質(zhì)，以根據(jù)密度差進(jìn)一步分離。過濾分離時(shí)要根據(jù)鋼鐵企業(yè)綜合的相關(guān)要求配置濾芯，同時(shí)啟用過濾器沉降功能，以進(jìn)一步分解現(xiàn)有的顆粒物，從而達(dá)到整體效果。

3）生物法：主要通過反應(yīng)器底部曝氣產(chǎn)生的空氣上升與載體中的大孔反復(fù)多次碰撞、切割，并被好氧微生物快速吸收反應(yīng)。同時(shí)隨著氧氣的碰撞、切割和吸收反應(yīng)，進(jìn)入載體內(nèi)部的氧氣逐漸減少直至氧氣消耗完畢，這樣使每個(gè)載體內(nèi)部生成良好的缺氧區(qū)、兼氧區(qū)和好氧區(qū)，使得載體的內(nèi)部形成無數(shù)個(gè)微型的高效生物反應(yīng)器，最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有生物反應(yīng)器高效降解有機(jī)污染物的目的。

3 綠色化學(xué)及其技術(shù)在水處理的應(yīng)用

3.1 電催化氧化法

電催化氧化方法使用特殊的電極材料進(jìn)行催化，以在電解過程中形成-OH-，并將有機(jī)污染物完全氧化為CO2和H2O。目前，電催化氧化法正逐步用于處理含有烴、醛、醇、醚、酚和染料的有機(jī)污染物，但實(shí)用的電極材料并不多，電極壽命短，能耗高。在實(shí)際應(yīng)用中，必須解決有效抑制氫和氧的放出和其他副反應(yīng)，提高電流效率以及改進(jìn)供電方法等問題。

3.2 超聲波降解技術(shù)

超聲波降解技術(shù)的原理是超聲波以一定的頻率和強(qiáng)度作用于液相反應(yīng)系統(tǒng)，使得液體的密度降低到足以破壞液體介質(zhì)中瞬間形成的大量微小空化泡，使得能量在較小的空間中釋放，導(dǎo)致瞬時(shí)局部高溫（5 000K）和高壓（5 017MPa），這可以極大地加速氧化還原反應(yīng)，尤其是對(duì)于某些需要較高溫度和壓力的異相反應(yīng)而言。該方法具有污染少或無污染，設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，并具有殺菌消毒作用，是用于水處理的新技術(shù)。但是，由于能量轉(zhuǎn)換效率與能量消耗的關(guān)系，因此在實(shí)踐中尚未得到廣泛應(yīng)用。

3.3 光催化技術(shù)

目前，在我國普遍采用物理吸附、混凝等非破壞性水處理技術(shù)處理廢水中的有機(jī)污染物。這種處理技術(shù)僅將有機(jī)污染物從原本的液相轉(zhuǎn)移到固相，并未從根本上分解污染物，非常容易造成二次污染問題。雖然傳統(tǒng)化學(xué)和生化技術(shù)可以對(duì)油污污染物進(jìn)行破壞性處理，但是其效率低且效果不佳，而廢水中的有毒有機(jī)物質(zhì)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。光催化技術(shù)可以有效提高化學(xué)、生化等的處理效率，迅速將有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為分解為水和二氧化碳等無害物質(zhì)。常見的光催化技術(shù)主要是應(yīng)用N型半導(dǎo)體材料，最為典型的代表是TiO2，其具有高活性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，應(yīng)用最為廣泛?？梢哉f納米TiO2的發(fā)現(xiàn)為工業(yè)廢水的完全催化分解提供了一種方法。1976年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，納米TiO2在紫外線輻射的影響下，對(duì)于含氯有機(jī)化合物有非常好的脫氯效果，根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)中國科學(xué)院使用納米TiO2和12烷基苯磺酸鈉水溶液進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果在陽光下暴露12h后，十二烷基苯磺酸鈉幾乎完全分解，且沒有二次污染。另外，在處理無機(jī)廢水時(shí)，由于無機(jī)物在納米粒子的表面具有光化學(xué)活性，因此可以吸附汞、銀、鉑和其他具有高氧化態(tài)的貴金屬離子，并利用光生電子將其還原成金屬晶體。不僅可以消除廢水的毒性，而且還可以從工業(yè)廢水中回收貴金屬。

3.4 納濾膜技術(shù)

納濾膜是一種納米級(jí)的膜結(jié)構(gòu)，其主要利用了納濾技術(shù)的特性，該技術(shù)是新型壓力膜分離技術(shù)，其過濾尺寸在反滲透（RO）和超濾（UF）之間，非常適合分離相對(duì)分子量在200~1 000的分子溶解組分。早在1993年，法國就在巴黎郊區(qū)建立了納濾能力為2800m3/d的凈水納濾裝置，處理的地表水用于生產(chǎn)飲用水。該過濾系統(tǒng)可有效去除農(nóng)藥和THAS前體。相比于超濾技術(shù)和防滲透技術(shù)，納濾技術(shù)可以分離大多數(shù)有機(jī)小分子，而不影響無機(jī)鹽的通過。而超濾技術(shù)的去除效率低，反滲透技術(shù)的去除效率雖然高，但會(huì)同時(shí)去除大量無機(jī)鹽。因此，納濾膜的應(yīng)用克服上述兩種技術(shù)的缺點(diǎn)。目前納濾膜技術(shù)主要在以下情況中應(yīng)用：

（1）無須截留單價(jià)無機(jī)鹽時(shí)。

（2）分離不同價(jià)態(tài)的離子時(shí)。

（3）分離高分子量有機(jī)物時(shí)。目前，納濾膜規(guī)模最大的應(yīng)用是在軟化水領(lǐng)域中，因此也有人將其成為水軟化膜。納濾膜在工作壓力為0.55~0.7MPa時(shí)，可去除85%~95%的硬度和70%的單價(jià)離子。納濾技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是處理效果好，沒有二次污染物，且成本低無須進(jìn)行再生，可以完全濾除固體懸浮物與高分子有機(jī)物，且空間要求較低，因此納濾膜技術(shù)在水處理方面的應(yīng)用非常廣泛，且具有較好的效果。當(dāng)前主要有以下兩種納濾膜技術(shù)：

①天然微納米材料膨潤土：膨潤土也被稱為蒙脫石，分子尺寸在101~104μm，相當(dāng)于納米級(jí)，自然形成于億萬年前。膨潤土具有很多微納米材料的特性，其對(duì)于有機(jī)物有較好的吸附作用，因此可以用于澄清渾濁水。而由于其尺寸接近于納米級(jí)，因此其間隙較小，可以用作密封劑密封放射性廢物。此外，也可以用作廢水排斥劑、水處理劑、清潔劑等，但在中國的研究和應(yīng)用較少。膨潤土用于處理廢水廢物去除率達(dá)99.5%。此外，膨潤土還用于水軟化劑和澄清劑中。例如，將膨潤土灑在河流上游可以有效清除流域的污染物，并使其沉降。

②納米級(jí)零價(jià)鐵用于水處理：納米級(jí)零價(jià)鐵具有較高的化學(xué)活性，可以用于置換水污染中的重金屬，比如含鉻廢水、染料廢水等，尤其是在多氯聯(lián)苯或六價(jià)鉻的廢水方面效果更好，主要可起到回收、微電解、凝結(jié)和吸附等效果。也可用于處理有機(jī)廢水和含放射性鈾的廢水，不僅可以防止污染，而且可以縮短處理時(shí)間。

4 綠色化學(xué)及其技術(shù)在水處理中的發(fā)展前景

在全球工業(yè)快速發(fā)展的背景下，世界環(huán)境污染的壓力越來越大，尤其是水環(huán)境污染更為嚴(yán)重，因此水污染處理越來越受到重視。對(duì)綠色化學(xué)及其技術(shù)的研究表明，綠色化學(xué)及其技術(shù)在水處理方面有非常多的優(yōu)勢(shì)，尤其是在有機(jī)物污染方面，具有巨大的效用，而有機(jī)物污染正是現(xiàn)階段水污染的重點(diǎn)與難點(diǎn)。傳統(tǒng)的物理法、化學(xué)法以及生化法對(duì)有機(jī)物污染的處理效率非常低，且易產(chǎn)生二次污染。而對(duì)綠色化學(xué)及其技術(shù)在水處理方面可以有效提高有機(jī)物的分解效率。分解后的有機(jī)物其主要的產(chǎn)物為CO2，H2O以及其他的無機(jī)離子。因此，綠色化學(xué)及其技術(shù)在水處理中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是無與倫比的，尤其是納米水處理研究成為當(dāng)前水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來，高效光催化劑、負(fù)載納米顆粒和摻雜金屬、光電復(fù)合催化劑等技術(shù)的研究與開發(fā)，使納米TiO2水處理的光催化氧化成為最有前景的技術(shù)之一。

5 結(jié)束語

基于綠色化學(xué)的原理開發(fā)新的水處理化學(xué)品，通過低環(huán)境毒性的化合物逐漸取代具有高毒性的化合物，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前綠色化學(xué)極其技術(shù)研究的主要方向。這表明綠色化學(xué)及其技術(shù)集中于三個(gè)目標(biāo)：生產(chǎn)率、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益，是水處理發(fā)展的未來方向和趨勢(shì)。