水處理中的綠色化學(xué)與綠色技術(shù)_環(huán)境科學(xué)食品科學(xué)_工程

1、水處理中的綠色化學(xué)與綠色技術(shù)肖湘竹 2005年3月案 例美麗沱江變哭泣之河美麗沱江變哭泣之河2004年23月間，四川化工股份有限公司第二化肥廠將大量高濃度氨氮廢水排入沱江支流毗河，導(dǎo)致沱江嚴(yán)重污染，這是建國(guó)以來(lái)少有的特大污染事故。近百萬(wàn)群眾生活飲用水中斷，魚(yú)類(lèi)大量死亡，大批企業(yè)被迫停產(chǎn)，直接經(jīng)濟(jì)損失兩億多元。45月，四川省仁壽縣東方紅紙業(yè)有限公司將造紙廢水偷排到沱江支流球溪河，致使沱江再次受到嚴(yán)重污染。 水資源缺乏是二十一世紀(jì)的三大問(wèn)題之一 水資源短缺及污染問(wèn)題是未來(lái)新世紀(jì)人類(lèi)的三大問(wèn)題之一（艾滋病、水資源及耕地面積的短缺），有其急迫性與復(fù)雜性。水資源缺乏是二十一世紀(jì)的三大問(wèn)題之一（續(xù)） 20

2、00年：每八秒一個(gè)兒童死于與水質(zhì)有關(guān)的疾病。全球14億人口沒(méi)有安全飲用水，30億人口缺乏清潔設(shè)施。每年因不安全用水造成33億5千萬(wàn)件疾病，530萬(wàn)人死亡。必須投入6000億8000億美元解決缺水。 水資源缺乏是二十一世紀(jì)的三大問(wèn)題之一（續(xù)） 2025年：全球90億人口中沒(méi)有安全飲用水人數(shù)增加到23億人。中東地區(qū)尤其面臨危機(jī)，土耳其和敘利亞、土耳其與伊拉克、以色列與阿拉伯、埃及與蘇丹，水戰(zhàn)一觸即發(fā)。我國(guó)水資源現(xiàn)狀 我國(guó)是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國(guó)家。我們的淡水資源總量為28000億立方米，占全球水資源的6，但人均只有2300立方米，僅為世界平均水平的14、美國(guó)的15，在世界上名列121位，是全球13個(gè)

3、人均水資源最貧乏的國(guó)家之一你會(huì)燒開(kāi)水嗎？ 在人類(lèi)面臨全球性水資源枯竭和水環(huán)境污染的今天,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)展關(guān)系是未來(lái)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)的綠色水處理技術(shù)革命已成為21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。什么叫綠色技術(shù)？綠色技術(shù)又稱(chēng)環(huán)境無(wú)害技術(shù)、環(huán)境友好技術(shù)或清潔技術(shù)等。綠色技術(shù)是能夠同時(shí)滿(mǎn)足技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)、無(wú)毒和不污染環(huán)境3項(xiàng)基本要求的技術(shù)。主要的綠色水處理技術(shù)超臨界水氧化法()高級(jí)氧化技術(shù)()電催化氧化法超聲波降解技術(shù)膜處理技術(shù)超臨界水氧化法()美國(guó)國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)所列的六大領(lǐng)域之一“能源與環(huán)境”中指出,最有前途的

4、廢物處理技術(shù)是SCWO法。美國(guó)能源部會(huì)同國(guó)防部和財(cái)政部已于1995年召開(kāi)了第一次SCWO法研討會(huì),討論用SCWO法處理政府控制污染物(governmentwastes)。美國(guó)能源部科學(xué)家PaulW.Hart指出:“鑒于SCWO法具有諸多優(yōu)點(diǎn),用它來(lái)代替焚燒法是極有生命力的”。超臨界流體 當(dāng)把處于氣液平衡的物質(zhì)升溫升壓時(shí),熱膨脹引起液體密度減少,而壓力的升高使氣、液兩相的相界面消失成為一均相體系,這一點(diǎn)就是物質(zhì)的臨界點(diǎn)。當(dāng)物質(zhì)的溫度、壓力分別高于臨界溫度和臨界壓力時(shí)就處于超臨界狀態(tài)。超臨界水的原理及特征水的臨界點(diǎn)為374.3, 22.05MPa超臨界狀態(tài)下水的特異性質(zhì)(1)與密度和溶解特性有關(guān)的

5、重要因子介電常數(shù)的值,在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下大約為78.5,而溫度在500的超臨界狀態(tài)下,水的介電常數(shù)急劇下降到2左右。(2)氧氣等氣體在通常狀態(tài)下在水中的溶解度較低,但在超臨界水中氧氣、氮?dú)獾葰怏w的溶解度空前提高,以至于可以任意比例與超臨界水混合,而成為單一相。超臨界狀態(tài)下水的特異性質(zhì)（續(xù)）(3)氣液相界面消失,流體的傳輸性能改善,具有低粘性和高擴(kuò)散性,表面張力為零,向固體內(nèi)部的細(xì)孔中的浸透能力非常強(qiáng)。超臨界水與普通水溶解度的對(duì)比超臨界水氧化法的定義超臨界水氧化法正是利用超臨界水的特性,使本來(lái)發(fā)生在液相或固相有機(jī)廢料和氣相氧氣之間的多相反應(yīng)轉(zhuǎn)化為在超臨界水中的均相氧化反應(yīng)。廢水中的有機(jī)污染物與氧化劑在

6、超臨界水中充分反應(yīng),生成無(wú)毒無(wú)害的二氧化碳、水和其它簡(jiǎn)單小分子化合物,達(dá)到凈化廢水的目的。超臨界水氧化法原理有機(jī)化合物+2二氧化碳+水有機(jī)化合物中的雜原子+2 酸、鹽、氧化物酸+無(wú)機(jī)鹽超臨界水氧化法的優(yōu)點(diǎn)(1)幾乎所有的有機(jī)物,只要幾秒至幾分鐘,就可以完全分解,分解率在99.99%以上,幾乎全部被轉(zhuǎn)化成二氧化碳、水、氮、無(wú)機(jī)鹽等。超臨界水氧化法的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）(2)鹽類(lèi)及金屬等無(wú)機(jī)物以固體形式被分離回收,其他排到體系外的物質(zhì)只是氣體狀物質(zhì)CO2、N2、O2等以及處理干凈的水。不產(chǎn)生二次污染。超臨界水氧化法的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）(3)只要被處理廢水中的有機(jī)物濃度在1%2%,就可以依靠反應(yīng)過(guò)程中自身的氧化放熱來(lái)

7、維持反應(yīng)所需的溫度。如果濃度更高,則放出更多的氧化熱,這部分熱能可以回收。超臨界水氧化法的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）(4)處理裝置可以設(shè)計(jì)成可移動(dòng)式的、小型化的方便應(yīng)用型設(shè)備。超臨界水氧化法的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）(5)從經(jīng)濟(jì)上來(lái)考慮,有資料顯示,與坑填法和焚燒法相比,超臨界水氧化法處理廢物年操作維修費(fèi)較低,單位成本較低,具有一定的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。超臨界水氧化法的處理效果超臨界水氧化法的適用范圍化工、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。需要解決的問(wèn)題研究開(kāi)發(fā)廣譜性催化劑；有效控制高溫高壓；解決固體顆粒對(duì)設(shè)備的堵塞問(wèn)題和抑制結(jié)垢；以最大效率回收熱能；深入研究其熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué),使工程設(shè)計(jì)和過(guò)程開(kāi)發(fā)得以進(jìn)行。高級(jí)

8、氧化技術(shù)(AOPS)AOPS主要包括：3 /(紫外線(xiàn))法 固相催化劑法22 /法22 /2+法3 /22法等3/(臭氧/紫外光)組合過(guò)程1/33+2+2222+ 2能夠無(wú)選擇性地氧化水中的有機(jī)污染物,使之完全礦化為2和2。22/(過(guò)氧化氫+紫外光)組合過(guò)程22+ 2+22 2+22+22 2+22 22能夠無(wú)選擇性地氧化水中的有機(jī)污染物,使之完全礦化為2和2。尚存在的缺點(diǎn)光催化反應(yīng)要求被處理體系具有良好透光性,而高濃度污水往往雜質(zhì)多、濁度高、透光性差,使反應(yīng)難以進(jìn)行。光催化劑的固定問(wèn)題仍未能很好解決。懸浮相催化劑有易失活、易凝聚和難回收。適于工業(yè)應(yīng)用的光催化反應(yīng)器急待開(kāi)發(fā)。電催化氧化法通過(guò)陽(yáng)極

9、反應(yīng)直接降解有機(jī)物,或通過(guò)陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基()、臭氧一類(lèi)的氧化劑降解有機(jī)物,這種降解途徑使有機(jī)物分解更加徹底,不易產(chǎn)生毒害中間產(chǎn)物,更符合環(huán)境保護(hù)的要求。這種方法通常被稱(chēng)為有機(jī)物的電催化氧化過(guò)程。有機(jī)物電催化氧化機(jī)理模式(以苯酚為例)222 +2+2-65+芳香類(lèi)化合物中間產(chǎn)物芳香類(lèi)化合物中間產(chǎn)物+脂肪酸類(lèi)化合物中間產(chǎn)物脂肪酸類(lèi)化合物中間產(chǎn)物+2+2析氧競(jìng)爭(zhēng)副反應(yīng)22+1/22尚存在的問(wèn)題反應(yīng)機(jī)理的研究缺乏活性物種的鑒定;反應(yīng)途徑尚停留在設(shè)想推測(cè)階段;催化電極的研制開(kāi)發(fā)缺乏理論指導(dǎo)。電極結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和操作條件的優(yōu)化缺乏系統(tǒng)的研究。超聲波降解技術(shù)超聲波降解有機(jī)污染物的原理是,當(dāng)聲能足夠強(qiáng)

10、時(shí),在疏松的半周期內(nèi),液相分子間的吸引力被打破,形成空化核,空化核的壽命為0 1,它在爆炸時(shí)的瞬間可產(chǎn)生約4000和100的局部高溫和高壓環(huán)境,并產(chǎn)生速度約為110 的具有強(qiáng)烈沖擊力的射流。該條件足以使所有的有機(jī)物在空化氣泡內(nèi)發(fā)生化學(xué)鍵斷裂、高溫分解或自由基反應(yīng)而使廢水中的有機(jī)污染物降解。需要解決的問(wèn)題有機(jī)物降解的強(qiáng)化途徑、降解機(jī)理；反應(yīng)器的合理設(shè)計(jì)；高頻超聲波發(fā)生器研制；反應(yīng)過(guò)程的定量化描述空化泡界面特性研究；連續(xù)化處理工藝開(kāi)發(fā)；多相體系中污染物降解特性；避免有毒中間體產(chǎn)生。膜處理技術(shù) 膜分離過(guò)程大多無(wú)相變,可在常溫下操作,具有能耗低、效率高、工藝簡(jiǎn)單、投資小和污染輕等優(yōu)點(diǎn),在水處理應(yīng)用中發(fā)

11、展相當(dāng)迅速。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。其中,、技術(shù)尤為引人注目。需要解決的問(wèn)題需要研究膜的吸附機(jī)理、更好的膜材料和膜表面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,以改進(jìn)膜的水通量、選擇性、耐高溫性和抗氧化能力。化學(xué)法是否都是非綠色技術(shù)？化學(xué)法是否是綠色技術(shù),關(guān)鍵要看所使用的產(chǎn)品是否符合綠色化學(xué)要求。水處理行業(yè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)是,必須盡快研究開(kāi)發(fā)去污性能好,又能滿(mǎn)足可生物降解性要求的水處理劑,促進(jìn)水處理產(chǎn)品和技術(shù)的更新?lián)Q代。我們追求的目標(biāo)零排污技術(shù)理想的綠色技術(shù)是零排污或者零排放。零排污水處理技術(shù)是以“綠色化學(xué)”為基礎(chǔ)的新概念,從始端、終端和中間過(guò)程杜絕污染

12、產(chǎn)生的新思路,能夠最大限度地節(jié)水和徹底解決水污染的新技術(shù),代表了21世紀(jì)水處理技術(shù)的發(fā)展方向。水是二十一世紀(jì)的金 水是人類(lèi)生存的生命線(xiàn)，也是農(nóng)業(yè)和整個(gè)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)的生命線(xiàn)。 參考文獻(xiàn)1熊蓉春,董雪玲,魏剛.綠色化學(xué)與21世紀(jì)水處理劑發(fā)展戰(zhàn)略.環(huán)境工程,2000,18(2):22程,2000,18(2):222熊蓉春,賈成功,魏剛.臭氧化法水處理技術(shù).工業(yè)水處理,2000,20(增刊):263熊蓉春,賈成功.電催化氧化法處理染料廢水的研究.環(huán)境工程,2002,20(增刊):554向波濤,王濤,楊基礎(chǔ),等.一種新興的高效廢物處理技術(shù)超臨界水氧化法J.化工進(jìn)展,1997,(3):3944.5陳武,李凡修,梅平.超臨界流體技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2003,4(2):59626丁軍委,陳豐秋,吳素芳,等.超臨界水氧化方法處理含酚廢水.環(huán)境污染與防治,2000,22(2):147