盤點(diǎn)2018年工業(yè)水處理領(lǐng)域的新科技
即將過去的2018年，水處理領(lǐng)域出現(xiàn)了不少新奇的科技，每一次創(chuàng)新，或許在不久的將來都能為我們的生產(chǎn)與生活帶來難以想象的改變。今天，小編就來盤點(diǎn)一下2018年本號(hào)發(fā)布的幾項(xiàng)創(chuàng)新科技。
1、“三明治”納米復(fù)合物問世，可同時(shí)移除廢水及土壤中的鉻和鎘
中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院技術(shù)生物與農(nóng)業(yè)工程研究所研究員吳正巖課題組在重金屬污染修復(fù)方面取得新進(jìn)展，該工作為同時(shí)移除水體和土壤中的六價(jià)鉻（Cr(VI)）和二價(jià)鎘（Cd(II)）提供一種新思路，具有較好的應(yīng)用前景。相關(guān)成果已被美國化學(xué)會(huì)材料期刊ACS Applied Materials & Interfaces 接收發(fā)表（DOI: 10.1021/acsami.8b03379）。
隨著工業(yè)的快速發(fā)展，大量重金屬進(jìn)入環(huán)境中，易通過食物鏈進(jìn)入人體，對生態(tài)系統(tǒng)和人類造成嚴(yán)重危害。其中，Cr(VI)和Cd(II)是兩種常見的共存重金屬離子，具有較高的協(xié)同毒性�，F(xiàn)有方法主要關(guān)注Cr(VI)或Cd(II)的單獨(dú)去除，限制了這些方法的實(shí)際應(yīng)用，迫切需要發(fā)展同時(shí)去除的方法。
課題組分別將硫化亞鐵和功能化四氧化三鐵沉積在棉布上，經(jīng)面對面組合，制備出“三明治”納米復(fù)合物。該系統(tǒng)可同時(shí)移除水體或土壤中的Cr(VI)和Cd(II)。該復(fù)合物易彎曲、易回收，對于修復(fù)Cr(VI)和Cd(II)復(fù)合污染的水體和土壤具有較高的應(yīng)用前景。
該工作得到中科院青促會(huì)項(xiàng)目、中科院STS項(xiàng)目、安徽省重大專項(xiàng)、安徽省環(huán)保項(xiàng)目等資助。
技術(shù)原理圖
2、三維石墨烯管治污神器，光照兩周污水變清
中科院上海硅酸鹽研究所首席研究員黃富強(qiáng)帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)近日成功研發(fā)出治污新材料，光照2周內(nèi)，可明顯改善水質(zhì)，幫助污水變清。相關(guān)成果今年初獲“國家自然科學(xué)獎(jiǎng)”二等獎(jiǎng)，現(xiàn)已在上海、安徽、江蘇等地成功示范。
黃富強(qiáng)介紹，新材料由三維石墨烯管和黑色二氧化鈦混合而成，其原理是“物理吸附+光化學(xué)催化降解”。三維石墨烯管負(fù)責(zé)牢牢“抓住”有毒有機(jī)物，黑色二氧化鈦?zhàn)鳛楣獯呋瘎晌崭哌_(dá)95%的全太陽光譜，把有毒有機(jī)物降解為二氧化碳和水。
左圖：在中科院上海硅酸鹽研究所實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，課題組研究人員將治污新材料倒入富含大量油污的污水量杯，開始吸附效果時(shí)長測試。
右圖：吸附效果測試結(jié)果顯示，3分4秒后，量杯中的污水由明黃色變清澈，刺激氣味隨之消失。中科院上海硅酸鹽研究所首席研究員黃富強(qiáng)帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)近日成功研發(fā)出治污新材料，光照2周內(nèi)，可明顯改善水質(zhì)，幫助污水變清。
過去一個(gè)月，團(tuán)隊(duì)在上海、安徽、江蘇等地共鋪設(shè)新材料光降解吸附網(wǎng)3000多張，覆蓋水域近4萬平方米。
在上海天山公園和中山公園，周圍居民反映，湖底淤泥深厚，氣味腥臭，湖面常有死魚漂浮。將涂覆有新材料的光降解吸附網(wǎng)鋪在湖面后，不動(dòng)水底淤泥，吸附網(wǎng)就能將有機(jī)物分解為二氧化碳和水，進(jìn)而提高水體含氧量，增強(qiáng)水體自凈化和生態(tài)修復(fù)能力。上海輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)技術(shù)研究所檢測中心和江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的檢測結(jié)果顯示，治理僅7天后，化學(xué)需氧量、氨氮、總磷等代表性指標(biāo)均從劣五類水改善至Ⅴ類水以上。
在安徽省合肥市肥東縣，團(tuán)隊(duì)對定光河污染較嚴(yán)重的中上游河段進(jìn)行了治理。肥東縣環(huán)保局水環(huán)境管理科主任薛鐵成說，定光河是典型的復(fù)合污染河道，這次治理后，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)提升60%以上。
據(jù)介紹，新材料還可降解印染廢水、制革廢水等工業(yè)污水，高效吸附其中有毒重金屬，添加1克多孔新材料可吸附1.476克鉛離子，簡單酸化處理后，可被加工成高附加值材料。目前該成果已走出實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化制備，獲得發(fā)明專利50多項(xiàng)。
3、中科院研發(fā)出“磁性兩面神微球”，微小油滴分離效率高達(dá)99%
中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研發(fā)出“磁性兩面神微球”，只需兩分鐘左右就可分離出水中的微小油滴，分離效率高達(dá)99%。
近年來，隨著工業(yè)、生活中含油廢水的大量排放，以及船舶排放、海上原油泄漏事故的多發(fā)，水中油污染已成為危害人類健康及環(huán)境安全的重大問題。“磁性兩面神微球”為開發(fā)新一代油水分離材料提供了新思路。
傳統(tǒng)方法很難滿足實(shí)際需求
一般來說，油在水中的存在形式根據(jù)油滴的粒徑可以分為三類：油滴粒徑大于150微米，稱為浮油，這也是油進(jìn)入水體的主要存在形式；油滴粒徑在20—150微米之間，稱為分散油；油滴粒徑小于20微米，稱為乳化油。不管是表面活性劑穩(wěn)定的油滴，還是無表面活性劑穩(wěn)定的油滴，極小的乳化油以油包水或水包油的形式，懸浮于水中，非常穩(wěn)定。
油水分離傳統(tǒng)的方法包括物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法、電化學(xué)法和生物法等。這些方法通常是根據(jù)油水分離處理的實(shí)際情況，單獨(dú)一種或幾種組合使用，傳統(tǒng)方法由于存在分離效率低、占地面積大、分離成本高、容易產(chǎn)生二次污染、高能耗等問題，很難滿足油水分離的實(shí)際要求。
超小乳化油滴難以水油分離
“油水分離從本質(zhì)上說是界面科學(xué)的問題。”王樹濤研究員說，近年來，科研人員從油水分離的科學(xué)本質(zhì)問題出發(fā)，從材料的浸潤性上入手，利用材料表面對油和水具有不同的浸潤行為，如同時(shí)具有超疏水和超親油性質(zhì)，或同時(shí)具有超親水和超疏油性質(zhì)，發(fā)展了一系列超浸潤性油水分離材料，如超浸潤膜、超浸潤海綿等。
這些超浸潤材料在分離浮油甚至是表面活性劑穩(wěn)定的油水混合物方面，達(dá)到了以往方法和材料所難以實(shí)現(xiàn)的高效性和高選擇性。然而，王樹濤強(qiáng)調(diào)，由于油水混合物的復(fù)雜性，水中無表面活性劑穩(wěn)定的微小油滴的分離往往被忽略，由于這些油滴在水中的粒徑小于20微米，水油結(jié)合往往非常穩(wěn)定，傳統(tǒng)方法很難高效、快速地將油滴去除。
因此，研究和發(fā)展新型的從水中分離微小油滴的方法和材料顯得尤為迫切。這也是新型油水分離材料“磁性兩面神微球”問世的緣由之一。
獨(dú)特結(jié)構(gòu)高效抓取小油滴
“磁性兩面神微球”只需兩分鐘左右就可分離出水中的微小油滴，分離效率高達(dá)99%，而且適用于不同比例、不同種類的油水混合物。為何能獲得如此高效的清除效果？
這依賴于其獨(dú)特的“抓手”結(jié)構(gòu)。之所以稱之為“磁性兩面神微球”，是因?yàn)槲⑶蚓哂型姑嬗H水/凹面親油的兩面性質(zhì)，其親油的“抓手”能和水中的微小油滴在結(jié)構(gòu)上形成很好的匹配。當(dāng)把它加入到油水乳液中時(shí)，其親油“抓手”能有效捕捉水中的微小油滴，在結(jié)構(gòu)上發(fā)生互補(bǔ)匹配，形成雪人狀結(jié)構(gòu)。它還能在劇烈的晃動(dòng)過程中，大幅降低油水界面張力，促使那些被捕捉到的微小油滴合并形成大油滴，從而使得油水乳液快速分層。
最后，“磁性兩面神微球”在油水界面發(fā)生自組裝，即緊密地排列在大油滴的表面。在外加磁場作用下，穩(wěn)定結(jié)合在一起的大油滴會(huì)朝著磁場方向運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)油水分離。
4、借助陶瓷基碳納米管復(fù)合膜，實(shí)現(xiàn)高鹽廢水零排放
大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境污染控制工程研究室董應(yīng)超教授及合作者M(jìn)ichael D. Guiver等人在高性能陶瓷基復(fù)合膜的設(shè)計(jì)制備及高鹽廢水處理方面取得重要進(jìn)展。
廢水零排放是解決水污染和水資源危機(jī)，實(shí)現(xiàn)資源回收的重要途徑，是亟待解決的重要環(huán)境問題。與現(xiàn)有的熱蒸餾和其他膜法脫鹽技術(shù)相比，膜蒸餾作為一種新興的分離技術(shù)，有望經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)現(xiàn)高濃度含鹽廢水的零排放。如果能夠充分利用工業(yè)余熱或廢熱等低品位熱源，膜蒸餾（MD）將極具競爭力。MD的核心是操作穩(wěn)定的多孔疏水膜，然而，現(xiàn)有部分有機(jī)高分子聚合物膜和疏水改性無機(jī)膜的長期熱穩(wěn)定性和疏水性差，隨之帶來的膜浸潤、膜污染、通量和脫鹽率的衰減等問題是限制其進(jìn)一步工程應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，國際上，如何開發(fā)新型膜材料，同時(shí)提高操作穩(wěn)定性和膜性能，是科學(xué)家們重點(diǎn)研究的挑戰(zhàn)性工程科學(xué)問題之一。
針對上述難點(diǎn)問題，基于團(tuán)隊(duì)在陶瓷膜載體制備方面的前期工作基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，創(chuàng)新地提出了新型結(jié)構(gòu)-超疏水陶瓷基碳納米管脫鹽膜的整體概念設(shè)計(jì)和應(yīng)用策略，充分利用了CNT的疏水性、耐熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，以（耐熱、高強(qiáng)度和高滲透性）多孔陶瓷膜為載體，設(shè)計(jì)并制備了一種耐熱超疏水性能優(yōu)異的新型結(jié)構(gòu)“陶瓷-碳納米管”復(fù)合膜。該膜具有特殊設(shè)計(jì)的膜結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的操作穩(wěn)定性和膜蒸餾性能，使其有望成為下一代高效分離膜。同時(shí)采取電化學(xué)輔助直接接觸膜蒸餾（e-DCMD）的方法強(qiáng)化了膜抗有機(jī)污染（以腐殖酸為例）的能力，實(shí)現(xiàn)了高鹽廢水的高效穩(wěn)定處理。
圖FC-CNT膜的結(jié)構(gòu)示意圖和突出的性能
該工作中膜結(jié)構(gòu)與應(yīng)用的設(shè)計(jì)思想具有普適性，預(yù)期將適用于制備其他陶瓷或無機(jī)載體的高性能復(fù)合膜以及廢水和氣體處理等應(yīng)用。膜載體不局限于低成本尖晶石，更適用于其他更常見的陶瓷載體，例如氧化鋁、二氧化鈦、莫來石和氧化鋯等。減緩膜污染也不局限于腐殖酸，通過定量調(diào)控復(fù)合膜的電負(fù)性，預(yù)期也可實(shí)現(xiàn)減緩不同荷電特性物質(zhì)的膜污染。膜應(yīng)用也不局限于海水淡化和高鹽廢水處理，預(yù)期也適用于含有非揮發(fā)性溶質(zhì)廢水如重金屬、大分子和膠體等各類廢水體系，乃至氣體凈化等領(lǐng)域。未來的工作還將集中在利用耦合技術(shù)如膜結(jié)晶和膜法能源提取技術(shù)（壓力阻尼滲透（PRO）和反向電滲析（RED）及其復(fù)合工藝），實(shí)現(xiàn)從高鹽度廢水中提取礦物鹽或回收綠色滲透能。該研究的結(jié)果將為環(huán)境應(yīng)用新型無機(jī)陶瓷復(fù)合膜的設(shè)計(jì)和制造提供了新思路和技術(shù)參考。
5、中科院寧波材料所利用正滲透膜研發(fā)便攜式海水淡化器
對于執(zhí)行特殊任務(wù)的士兵、船舶工作人員，以及戶外探險(xiǎn)愛好者等群體來說，便攜、高效的應(yīng)急淡水供應(yīng)裝備必不可缺。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋環(huán)境材料團(tuán)隊(duì)突破相關(guān)技術(shù)瓶頸，生產(chǎn)出“便攜式”正滲透海水淡化膜裝置，將轉(zhuǎn)化效率提升至同類產(chǎn)品的2.5倍以上。
海水淡化即利用海水脫鹽生產(chǎn)淡水，是緩解沿海地區(qū)與城市用水危機(jī)最重要的方法之一。預(yù)計(jì)到2020年，我國沿海地區(qū)的高用水企業(yè)的工業(yè)冷卻水基本上由淡化海水供給。
世界上有十多個(gè)國家的一百多個(gè)科研機(jī)構(gòu)在進(jìn)行著海水淡化的研究，有數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)和不同容量的海水淡化設(shè)施在工作，在實(shí)踐中被認(rèn)為行之有效的方法主要有以下幾類：第一類是蒸餾法，包括多級(jí)閃蒸法（MSF）、壓氣蒸餾法（VC）、多效蒸餾法（MED）等；第二類是膜法，包括反滲透法（RO）、電滲析法（ED）等；第三類是其他方法，如冷凍結(jié)冰法、溶劑萃取法、露點(diǎn)蒸發(fā)淡化技術(shù)等。
目前全球海水淡化技術(shù)中較多利用的是“反滲透”，產(chǎn)能占到65%。但“反滲透”是個(gè)復(fù)雜的工程，不僅占地規(guī)模大、能耗高，而且運(yùn)行與維護(hù)成本高，不適宜小規(guī)模的應(yīng)用與推廣，難以保障突發(fā)事件中應(yīng)急營養(yǎng)液的有效供給。
海水淡化的主要方法（圖片源自：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院）
寧波材料所團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“便攜式”海水淡化器則基于“正滲透”技術(shù)。所謂正滲透，是指水通過選擇性半透膜，從低濃度溶液的一端轉(zhuǎn)移到高濃度溶液的一端，而溶質(zhì)被截留的過程；這是一個(gè)自發(fā)滲透過程，不需要外加壓力驅(qū)動(dòng)，能耗低，能夠進(jìn)一步降低“海淡水”成本。這項(xiàng)前瞻性技術(shù)，近年來備受國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)關(guān)注，但目前仍然難以見到成熟的正滲透膜及正滲透海水淡化裝置與設(shè)備。
寧波材料所團(tuán)隊(duì)在材料研制上取得了突破。研究人員對支撐膜孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，再對其進(jìn)行表面修飾，得到性能優(yōu)異的正滲透膜材料：斷面為互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，膜強(qiáng)度高；PAA的羧基則賦予膜更強(qiáng)的親水性，利于水分子的快速通過，提高水通量。
利用這一“升級(jí)版”正滲透膜，團(tuán)隊(duì)將其四邊膠封成器件，應(yīng)用于應(yīng)急海水淡化領(lǐng)域。檢測結(jié)果顯示，其海水淡化效率達(dá)到在該領(lǐng)域領(lǐng)先的美國HTI（Hydration Technologies Inc）公司同類產(chǎn)品的2.5倍以上。
不需任何內(nèi)芯，簡單的清洗即可恢復(fù)膜的‘脫鹽’能力，在處理高污染水體方面具有顯著優(yōu)勢。這一便攜裝置用途廣泛，能夠?yàn)樵诤Ｉ吓c野外等特殊場所執(zhí)行特殊任務(wù)的兵士、偶遇突發(fā)事件的艦艇與船舶的工作人員、面臨突發(fā)自然災(zāi)害與水路污染的民眾供給應(yīng)急淡水，維系生命。
6、哈工大馬軍教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)利用高鐵酸鹽去除水中有機(jī)污染物新方法
有機(jī)砷是國內(nèi)外畜禽養(yǎng)殖中常用藥劑，由于其在水處理過程中去除效率很低，會(huì)影響后續(xù)排放水體水質(zhì)，釋放的無機(jī)砷毒性很大，因此是目前國內(nèi)外高度關(guān)注的難題。哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授、城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成員馬軍團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，用高鐵酸鹽可高效地去除有機(jī)砷，利用高鐵酸鹽的強(qiáng)氧化作用和其原位形成的納米級(jí)鐵氧化物的吸附作用取得對有機(jī)砷污染物高效去除效果。
水中痕量有機(jī)污染物的去除是環(huán)境污染治理、生態(tài)保護(hù)及飲用水安全保障的核心課題。目前常規(guī)的有機(jī)污染物物理化學(xué)控制方法主要是利用強(qiáng)氧化劑（如臭氧、過硫酸鹽、高錳酸鹽等）破壞目標(biāo)物化學(xué)結(jié)構(gòu)，使其喪失相應(yīng)的化學(xué)特性（毒性），從而達(dá)到污染控制的目的。相較于化學(xué)氧化過程，物理吸附可徹底地去除水體有機(jī)污染物并保證處理水的生物穩(wěn)定性。但對于痕量有機(jī)污染物而言，達(dá)到高效去除污染物的目標(biāo)需投加大量的吸附劑，由此大大地提高了水處理成本。同時(shí)，在實(shí)際水處理過程中，投加大量吸附劑有可能向水中引入新的污染物。
高鐵酸鹽是集氧化、吸附、絮凝、消毒等功能于一體的新型水處理藥劑，具有氧化能力強(qiáng)、反應(yīng)活性高、產(chǎn)物（鐵氧化物）無毒且易絮凝等多種特點(diǎn)。以往關(guān)于高鐵酸鹽的研究多聚焦于其氧化性能，忽視了其還原產(chǎn)物（納米級(jí)鐵氧化物）在污染物控制過程中的作用。
馬軍教授團(tuán)隊(duì)在利用高鐵酸鹽處理對氨基苯胂酸（一種常用有機(jī)砷類畜禽飼料添加劑）時(shí)發(fā)現(xiàn)，高鐵酸鹽不僅可以高效地氧化對氨基苯胂酸，而且其還原產(chǎn)物可以高效地吸附系統(tǒng)中形成的無機(jī)砷及有機(jī)砷（對硝基苯胂酸，對氨基苯胂酸的氧化產(chǎn)物）等，對總砷（有機(jī)砷和無機(jī)砷）的去除效率可高達(dá)99%以上。并且，在反應(yīng)過程中，高鐵酸鹽的氧化作用及其原位產(chǎn)生鐵氧化物吸附作用可去除水中近60%的總有機(jī)碳。相比于單純的化學(xué)氧化，高鐵酸鹽氧化過程所特有的“氧化+吸附”作用可大大地提高對有機(jī)污染物的去除效率，為解決有機(jī)砷污染控制難題提供了一條經(jīng)濟(jì)、高效的技術(shù)發(fā)展途徑。
高鐵酸鹽氧化對氨基苯胂酸的反應(yīng)路徑示意圖
7、中科院新技術(shù)：可實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測工業(yè)廢水中的重金屬污染
鉛、鎘、鉻等重金屬污染嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境和人體健康。中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員趙南京研制出一種新型環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對工業(yè)排放廢水中多種重金屬的實(shí)時(shí)在線自動(dòng)監(jiān)測。
近年來重金屬污染事件時(shí)有發(fā)生，其中鉛、鎘、鉻、汞、砷等危害較大。目前對水體中重金屬的在線測量主要采用比色法和電化學(xué)分析法，這兩種方法各有缺陷，有的不能同時(shí)測量多種離子，有的靈敏度較低。
由趙南京研制的“工業(yè)排放廢水重金屬在線監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)”通過專家組驗(yàn)收。這種系統(tǒng)基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)，以石墨基片為水樣載體，通過自動(dòng)加載與卸載石墨基片、水樣自動(dòng)進(jìn)樣與精確滴定、樣品烘干、光譜測量與分析，從而實(shí)現(xiàn)廢水重金屬含量的連續(xù)在線自動(dòng)監(jiān)測，可同時(shí)測量鉛、鎘、鉻、銅、鎳、鋅等多種重金屬元素。
該項(xiàng)目在激光誘導(dǎo)等離子體光譜增強(qiáng)技術(shù)、廢水重金屬自動(dòng)富集方法及數(shù)據(jù)定量處理算法等方面取得了創(chuàng)新性成果�？蒲腥藛T在一家金屬冶煉廠進(jìn)行了為期兩周的外場示范運(yùn)行試驗(yàn)，并與電感耦合等離子體光譜法進(jìn)行了比對分析，結(jié)果顯示測量穩(wěn)定性誤差在5%以下，相對誤差在0.02%至9.1%之間。系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行期間，無人值守但運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。
8、中國科學(xué)院寧波材料所新型油水分離材料獲評“好設(shè)計(jì)”
在日前舉辦的2018中國創(chuàng)新設(shè)計(jì)大會(huì)暨“好設(shè)計(jì)”頒獎(jiǎng)儀式上，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所新型油水分離材料與應(yīng)用項(xiàng)目榮獲“好設(shè)計(jì)”銀獎(jiǎng)。據(jù)介紹，該油水分離材料主要應(yīng)用于溢油應(yīng)急及含油廢水處理，其回收的油污含油率大于90%，每小時(shí)可處理萬余平方米的水面薄油層污染物。
該獲獎(jiǎng)項(xiàng)目包括寧波材料所薛群基院士、曾志翔研究員團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的新型油水分離材料，以及基于該材料設(shè)計(jì)的多種新型智能裝備技術(shù)。新型油水分離材料在溢油事故發(fā)生時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高效快速應(yīng)急與油水分離;在處理石化、煤化工含油廢水時(shí)，可實(shí)現(xiàn)物理破乳替代化學(xué)破乳油水分離，減少二次污染，大幅降低成本。
圖1. (上)超疏水性PS/CNTs薄膜的制備以及分離油水乳液, (下)Janus 碳基薄膜分離油水乳液
中科院寧波材料所高分子事業(yè)部陳濤研究員的智能高分子材料團(tuán)隊(duì)長期致力于二維高分子納米復(fù)合油水分離材料的研究，通過表面接枝高分子刷和多級(jí)組裝技術(shù)，獲得多種新型復(fù)合材料，可實(shí)現(xiàn)高效分離油水乳液和凈化水質(zhì)。科研人員采用多孔陶瓷作為襯底，抽濾納米碳管（CNTs）成膜，采用自引發(fā)的光接枝光聚合(self-initiated photografting and photopolymerization，SIPGP)的方法接枝疏水性的高分子聚苯乙烯（PS）到CNTs的表面，進(jìn)而協(xié)同利用CNTs薄膜的高粗糙度表面，獲得超疏水性的二維雜化薄膜材料。該膜可用于微米和納米級(jí)油包水乳液的大通量、高效分離（J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 15268-15272，圖1上，內(nèi)封面）。在此基礎(chǔ)上，將得到的超疏水性的PS/CNTs薄膜反轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)移到另一個(gè)基底上，再次通過SIPGP將親水性的聚甲基丙烯酸二甲胺乙酯（PDMAEMA）單向接枝到CNTs膜的表面，從而得到具有親水/疏水結(jié)構(gòu)的雙面（Janus）復(fù)合薄膜（PDMAEMA/CNTs/PS），實(shí)現(xiàn)對油包水和水包油乳液進(jìn)行選擇性分離的效果（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 16204，圖1下）。
圖2. CNTs/PS@AuNPs多級(jí)復(fù)合薄膜的催化降解和油水分離功能
為快速有效去除油污水中的有害污染物，該團(tuán)隊(duì)通過表面接枝分子刷和層層組裝技術(shù)，獲得一種新型多級(jí)復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)高效分離油水乳液和凈化水質(zhì)。利用抽濾的方法，使得高密度負(fù)載金納米顆粒的聚苯乙烯復(fù)合微球（PS@AuNPs）緊密堆積，組裝形成復(fù)合微球催化薄膜，進(jìn)而將親水性碳納米管薄膜沉積在微球薄膜表面，從而獲得一種水下超疏油、具有催化功能的多級(jí)復(fù)合薄膜（J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 10810，圖2）。分離過程中，油相被上層碳管薄膜阻截，水相則通過微球間彎曲孔道穿過下層復(fù)合微球薄膜，從而實(shí)現(xiàn)油水分離功能。水相繞流經(jīng)過微球孔道的同時(shí)，水相中模型有機(jī)污染物（硝基苯酚和硼氫化鈉混合溶液）與孔道內(nèi)壁上的高密度金納米顆粒充分接觸，被快速催化分解，實(shí)現(xiàn)快速有效催化降解水中有機(jī)污染物。這種新型復(fù)合薄膜材料，首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)了油水乳液分離和催化分解水溶性有機(jī)污染物，處理通量達(dá)到3500 L m-2 h-1 bar-1，催化效率最高可達(dá)92.6%，并具有良好的力學(xué)和催化穩(wěn)定性，可多次重復(fù)使用，并適于連續(xù)性操作，為工業(yè)化廢水處理提供了一種新的分離技術(shù)。當(dāng)負(fù)載銀納米顆粒（Ag NPs）到超親水CNTs分離薄膜中，利用銀納米顆粒的殺菌性能，可在油水分離的同時(shí)殺死水質(zhì)中的有機(jī)污染物或細(xì)菌，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)油水分離和快速有效凈化水質(zhì)。
根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了超疏水吸油材料、超疏油親水材料、高效隔油過水材料、高效油吸附凝結(jié)材料、高效水吸附凝結(jié)材料等系列材料，衍生了電子產(chǎn)品新型超疏水?dāng)?shù)涂層材料，并發(fā)展了核電冷源系統(tǒng)關(guān)鍵防務(wù)工程裝備、海洋溢油應(yīng)急智能裝備與方案、河流溢油應(yīng)急裝備與方案、新型煤化工油水分離裝備與方案、新型聚集凝結(jié)物理破乳裝備與水處理方案等。
在含油廢水處理領(lǐng)域，該項(xiàng)目是國內(nèi)唯一利用純物理聚集凝結(jié)替代化學(xué)破乳、絮凝、氣浮過程，并完成低成本、大水流量、大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)項(xiàng)目。該項(xiàng)目技術(shù)及方案已在大亞灣核電站、昌江核電站、中煤榆能化、河北龍成煤綜合利用有限公司、河南龍成集團(tuán)等獲得廣泛應(yīng)用。
特別值得一提的是，在電子產(chǎn)品日益普及的當(dāng)下，由該項(xiàng)目衍生的超疏水涂層還可應(yīng)用于電子產(chǎn)品防水領(lǐng)域，寧波材料所在此領(lǐng)域已取得系列進(jìn)展。“設(shè)備方面，開發(fā)了一系列低溫等離子體納米涂層制備設(shè)備，解決了涂層生產(chǎn)效率、質(zhì)量、均勻性、成品率及性價(jià)比等方面的問題。在納米涂層工藝上，構(gòu)建了多尺度梯度納米涂層體系，解決了防水、防護(hù)與散熱、透波性、導(dǎo)通性的矛盾。”曾志翔研究員介紹說，目前，這種納米涂層制備技術(shù)已在高端手機(jī)及無人機(jī)、汽車、海洋工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在電子產(chǎn)品防水涂層領(lǐng)域市場占有量穩(wěn)居全球前列。
9、國際首次采用PTFE中空纖維膜成功應(yīng)用于高氨氮廢水處理
近日，中科院大連化物所曹義鳴研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)的聚四氟乙烯（PTFE）中空纖維膜接觸器技術(shù)成功應(yīng)用于提釩廢水中高濃度氨氮的脫除項(xiàng)目。廢水處理量50t／d、進(jìn)水氨氮濃度為2000-5000mg/L，設(shè)計(jì)的出水氨氮濃度為10mg/L。
工業(yè)項(xiàng)目由大連化物所和南京碧盾新膜技術(shù)有限公司提供PTFE膜組件及工藝流程設(shè)計(jì)、攀枝花碧源科技負(fù)責(zé)工程設(shè)計(jì)和制造以及現(xiàn)場實(shí)施共同完成。
經(jīng)過72小時(shí)現(xiàn)場運(yùn)行，出水氨氮濃度穩(wěn)定在2~7mg/L，達(dá)到國家釩工業(yè)污染排放標(biāo)準(zhǔn)（10mg/L）和污水排放國標(biāo)1級(jí)A（8mg/L）規(guī)定要求，這是國際上首次采用PTFE中空纖維膜在提釩高氨氮廢水領(lǐng)域工業(yè)應(yīng)用成功典范。由于PTFE膜材料優(yōu)異疏水性和抗污染特性，工藝上采用廉價(jià)的石灰代替液堿調(diào)節(jié)pH值，大幅度地降低了運(yùn)營成本。系統(tǒng)具有能耗低、脫氨氮效率高、膜壽命長、裝置緊湊、操作簡單等優(yōu)勢。
在袁權(quán)院士指導(dǎo)下，曹義鳴研究員團(tuán)隊(duì)于2012年研發(fā)出高性能PTFE中空纖維膜核心技術(shù)，成功應(yīng)用于馬來西亞石油公司的天然氣脫CO2國際開發(fā)與合作中試項(xiàng)目，此次在高氨氮廢水處理中成功實(shí)施，是PTFE中空纖維膜接觸器技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域又一次重要突破。
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