"綠色化學給環境工程帶來了革命性的變革,在此基礎上,人們提出了綠色水處理劑的概念,并被認為是21世紀水處理劑的發展方向。綠色的水處理劑,要求生產用的原材料和轉化的試劑綠色化、生產反應方式的綠色化、生產反應條件的綠色化。水處理劑的綠色化戰略,是水處理學科本身的客觀要求,也是中國社會可持續發展的需要和趕超世界先進水處理技術水平的需要。
? ?綠色水處理劑隨著人們環保意識的增強,愈來愈成為水處理行業研究和應用的熱點。今后對此類藥劑的研究應從以下幾個方面著手:一是注重藥劑的合成、結構與性能之間的基礎研究,搞清楚聚合物結構與性能間的關系,只有這樣才能使水處理技術有所創新、有所突破。二是正確理解綠色水處理劑的概念,不能一味追求水處理藥劑的無磷、非氮等的純粹綠色概念,要把綠色水處理劑與國內當前行業的水平結合起來,以市場規律性價比來推動綠色水處理劑的研究和應用。某些含磷的水溶性共聚物或低磷、微磷的水處理藥劑配方,只要其排放符合國家標準,對水環境影響甚微,就可以稱為綠色或準綠色水處理劑并鼓勵使用。
一、綠色水處理劑的使用現狀
? ?綠色水處理劑又稱環境友好型水處理劑,是指其生產過程清潔化,使用過程不影響人體健康和環境,并可生物降解而對環境無害的水處理劑。綠色水處理劑可表現在阻垢劑、緩蝕劑、絮凝劑方面,其中阻垢劑已基本實現“綠色化”,并已投入應用。
1、阻垢劑
? ?在所有的水處理劑中,阻垢劑的“綠色化”進展最快。阻垢劑主要通過螯合金屬的吸附分散微晶和晶格畸變作用,從而阻止水中致垢鹽類在設備表面的沉積。高聚物阻垢劑的研究顯得極為活躍,可分為丙烯酸類、馬來酸類、馬來酸/丙烯酸類、磺酸類和含磷類聚合物阻垢劑等。
2、緩蝕劑
? ?緩蝕劑主要有無機緩蝕劑和有機緩蝕劑兩大類。緩蝕劑的發展從最初的鉻酸鹽、聚磷酸鹽,到現在全有機系列的有機膦酸鹽,從高磷、含金屬的配方到低磷、全有機配方,從單一配方到復合配方,正朝著多品種、高效率、低毒性等方向發展。有機膦酸類是陰極型緩蝕劑,其共聚物同時含有磷酰基和羧基,兼具阻垢、分散、緩蝕功能,無毒,不會造成“二次污染”,不需加酸調節pH值,藥劑不易水解,耐高溫且操作簡單安全。
? ?中國使用的緩蝕劑品種很多,如磷酸鹽、鉻酸鹽、硝酸鹽等;其中鉻酸鹽因其毒性大而被淘汰,磷酸鹽則占據著重要地位。磷酸鹽較好地解決了冷卻水系統產生碳酸鈣垢的問題,但是有機多元磷酸不能有效地抑制磷系和磷鋅系水處理劑配方中產生的磷酸鈣垢、鋅垢和其他垢類。同時,隨著世界各國對污水磷排放的規定,也限制了它的使用。從20世紀90年代起,無磷或低磷型循環水處理劑在國內外得到了快速發展,代表性產品有磷酞基竣酸、多氨基多竣基甲叉磷酸等大分子有機磷類和聚天冬氨酸、肉桂醛類等無磷緩蝕阻垢劑及相應的復合配方。它們的特點是,對鈣的容忍度較高,能穩定鋅、鐵離子,適合在苛刻的水質條件下應用,基本不含磷或含磷較低。
3、絮凝劑
? ?絮凝劑是水處理劑中用量最大的一種藥劑,可分為無機、高分子、復合型等種類,其中高分子絮凝劑又分為合成與天然兩大類。一般而言,合成高分子絮凝劑易于通過分子設計和合成手段“剪裁”分子結構,從而可以根據應用需求,靈活地調控其性能,但其在處理后的水溶液中的殘留物很難被生物降解,從而導致“二次污染”,因此絮凝劑的“綠色化”應主要著眼于天然高分子絮凝劑。根據來源,天然高分子絮凝劑可分為三大類:即多糖類、甲殼素類以及微生物絮凝劑類。
? ?(1)多糖類　多糖類物質因其剪切穩定性、生物可降解性以及其接枝產物比直鏈合成聚合物fl-PAM,具有更大的空間位阻特性而成為研究熱門,同時由于其原料易得———可取自農、林產品,如淀粉、纖維素、木質素、單寧等,而具有良好的經濟性。
? ?要實現絮凝功能,多糖類物質一般都需要經過改性,以改善其溶解性和增加其絮凝能力。在眾多的天然改性高分子絮凝劑中,淀粉改性絮凝劑的研究和開發尤為引人注目。淀粉分子結構中帶有羥基,通過對這些羥基的酯化、醚化、氧化、交聯等反應,可對淀粉改性;淀粉還能與丙烯腈、丙烯酸、丙烯酰胺等人工合成高分子單體進行接枝共聚反應,從而使共聚物兼具天然高分子和人工合成高分子的優點。
? ?(2)甲殼素類　甲殼素是自然界中含量僅次于纖維素的第二大天然有機高分子化合物,它是許多甲殼類動物外殼的主要成分,也存在于某些植物,如菌、藻類的細胞壁中,質量含量一般為30%~60%,是一種十分豐富的自然資源。
? ?由于這類物質分子中含有酰胺基及氨基、羥基,因此具有絮凝吸附等功能,其最大優勢體現在對食品加工廢水的處理中。殼聚糖是甲殼素脫乙酰化的產物,它可使各種食品加工廢水中的固體懸浮物減少70% ~98%,近年的研究還發現,其對重金屬離子具有很強的去除能力。但由于其游離的氨基可接受質子和鹽,故由于在酸性水溶液中因可溶解而流失,使其應用受到限制,因此一般對其進行改性使用。
? ?通過改性,使它兼具有電中和絮凝和吸附絮凝的雙重作用,并借助高分子鏈的吸附和架橋作用而產生絮凝沉降,用于除去水體中的無機懸浮固體、處理蔬菜及罐頭生產廢水、回收蛋白質以及污泥脫水等;它還可有效地去除廢水中的有機農藥、多氯聯苯及廢水中的石油等污染物。近年來,甲殼素及殼聚糖的應用研究,已有相當部分進入了實用階段,并逐步實現了商品化。
? ?(3)微生物絮凝劑　微生物絮凝劑,是指利用生物技術通過微生物的發酵、抽提、精制而得到的一類絮凝劑,是一種無毒的生物高分子化合物,包括機能性蛋白質和機能性多糖類物質。絮凝劑真正的生理意義并不在于使微生物產生絮凝,而是在于構成微生物的多糖莢膜。微生物的絮凝性是一種伴生性狀,其絮凝性主要由位于染色體上和染色體外的絮凝遺傳基因,決定這些絮凝基因,是由多個基因控制的,絮凝基因經過修飾和校正基因的修正后,才可有效地表達絮凝能力。
二、綠色水處理劑的發展趨勢
? ?按照可持續發展的要求,水處理技術的綠色化進程將會加快,開發研制適合環境保護需求的低磷、非氮和可生物降解的多功能綠色水處理劑,將成為工業水處理領域中最主流的研究方向。
1、生產過程綠色化
? ?綠色化學的思路,是從根本上消除污染源,使廢物不再產生或雖產生而能得到控制,從源頭上徹底控制污染,因此,在研制綠色水處理劑的生產工藝中,應該努力實現生產過程的綠色化,在生產過程中控制污染物的產生。生產過程的綠色化,主要體現在采用可以減少或消除對人體健康或環境有害的原料、產物、副產物、溶劑、試劑等的使用或生產的化學工藝和方法。
? ?(1)分子結構的新設計　由于綠色水處理劑及其清潔化生產工藝還處在初步研究階段,為了節約探索時間,可用計算機模擬進行“虛擬”反應而篩選出最佳的原料和設計出最優的合成路線。目前采用分子模擬進行分子結構設計和“剪裁”,及對用于工業生產的預期指標進行的研究主要包括膦酸鹽類和聚合物類阻垢劑。通過生物降解性實驗發現,增加聚羧酸阻垢劑分子結構中羧基的數目、酯基支鏈以及向主鏈中插入氮、氧元素的方法,均可提高其可生物降解性。
? ?(2)原子經濟性反應　選擇天然產物為原料同時在合成路線上實現原子經濟性。以聚天冬氨酸的合成為例,原料是從自然中提取,合成路線若以磷酸為催化劑,可以制得相對分子量高的線性高分子,但存在副產物的分離和排放問題。而Don的工藝是通過干的固體聚合反應,將天冬氨酸轉化成聚丁二酰亞胺,在轉化過程中不使用有機溶劑縮合反應的副產物是水且反應過程的效率很高,產率一般可達97%,將聚丁二酰亞胺進一步堿性水解即可得到聚天冬氨酸。這是一個典型的高效而無廢物產生的轉化過程,實現了原子經濟性反應。
? ?(3)生產工藝的改進　從綠色理念出發,重視生產過程中對環境的影響,改進水處理劑的生產工藝,如催化劑、反應溶劑等,在選擇技術方案、工程項目設計以及技術改造過程中,采納清潔生產的思想,研究開發和采用清潔生產工藝的流程。
2、使用過程綠色化
? ?(1)有效替代品的使用　那些可能產生“二次污染”的物質,應當盡量使用其他可替代的且有效的水處理劑產品,如原來使用的有機磷酸中磷的排放易產生富營養化,破壞生態平衡,而使用鉻酸鹽、亞硝酸鹽等無機緩蝕劑又具有較大的毒性,這些都可以改用鉬酸鹽、鎢酸鹽、硅酸鹽等無機緩蝕劑和全有機系水處理劑,以及新近開發的聚天冬氨酸、聚環氧琥珀酸和烷基環氧羧酸等綠色阻垢劑作為替代;有機胺是緩蝕劑使用最多的一類,在實際應用中應當更多的使用脂肪胺取代芳香胺。
? ?(2)水處理后期的“綠色化”的補救措施　尚無替代且行之有效的水處理劑產品的使用,應當盡快開發配套的治理方案予以補充,如對工業水處理后的排放,可以采用太陽能并借助納米光催化劑TiO2對殘余藥劑進行氧化降解,或采用新型的超臨界水氧化技術,這些措施對使用過程的綠色化都是良好的補充。
? ?綠色水處理劑在環境保護中的應用已經初見成效,在其生產和使用過程中有效避免了傳統絮凝劑產生的“二次污染”和非清潔化生產的問題。水處理是一項集生產工藝、設備與藥劑等多種領域為一體的系統工程,要實現水處理劑的“綠色化”,必須要從工藝、設備和藥劑等相關領域共同入手,不僅要發揮各個環節自身的獨特優勢,還要實現其協同效應,以實現最大程度的“綠色化”。"