一、綠色水處理劑的概念
    綠色水處理劑的概念源于“綠色化學(xué)”的提出，從根本上減少或消滅那些對(duì)人類健康或環(huán)境有害的原料、產(chǎn)物、副產(chǎn)物、溶劑和試劑等的產(chǎn)生和應(yīng)用。顯然，綠色化學(xué)的總體思路是從根本上消滅污染源，使得廢物不再產(chǎn)生，不再有廢物處理問(wèn)題，因而綠色化學(xué)是一門(mén)從源頭上徹底阻止污染的化學(xué)。所以該概念的提出給環(huán)境工程帶來(lái)了革命性的變革,在此基礎(chǔ)上,人們提出了綠色水處理劑的概念,并被認(rèn)為它是21世紀(jì)水處理劑的發(fā)展方向。
    綠色水處理劑又稱環(huán)境友好型水處理劑,是指其生產(chǎn)過(guò)程清潔化,使用過(guò)程不影響人體健康和環(huán)境,并可生物降解而對(duì)環(huán)境無(wú)害的水處理劑。它要求水處理劑生產(chǎn)用原材料和轉(zhuǎn)化試劑的綠色化、水處理劑生產(chǎn)反應(yīng)方式的綠色化、水處理劑生產(chǎn)反應(yīng)條件的綠色化。水處理劑的綠色化可表現(xiàn)在阻垢劑、緩蝕劑、絮凝劑方面。

二、目前水處理劑的使用狀況

    水處理劑是當(dāng)前水工業(yè)、污染治理與節(jié)水回用處理工程技術(shù)中應(yīng)用最廣泛、用量最大的特殊產(chǎn)品之一，包括絮凝劑、阻垢分散劑、緩蝕劑、殺生劑等。其性能的優(yōu)劣,在很大程度上決定處理流程的運(yùn)行狀況、最終出水質(zhì)量及成本費(fèi)用。
    絮凝沉淀法是廢水處理技術(shù)中使用最廣泛、成本最低的處理方法。目前絮凝劑和凝聚劑占了水處理劑總量的3/4,其中作為絮凝劑的聚丙烯酰胺(PAM)又占了絮凝劑和凝聚劑的1/2,其余1/2為無(wú)機(jī)聚合物。但是目前使用的無(wú)機(jī)與有機(jī)絮凝劑都存在一些問(wèn)題,并對(duì)人體健康有一定的影響。
    在有機(jī)高分子絮凝劑中,PAM及其衍生物約占85%。雖然PAM本身基本無(wú)毒,但其中所含的在生產(chǎn)過(guò)程中未完全轉(zhuǎn)化的丙烯酰胺單體卻是一種毒害神經(jīng)性很強(qiáng)的物質(zhì),且有很強(qiáng)的致癌性,會(huì)對(duì)人類健康構(gòu)成巨大的威脅。生產(chǎn)過(guò)程中夾帶的有毒重金屬及PAM的難降解性也會(huì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)二次污染的問(wèn)題。

其他水處理劑存在的問(wèn)題

    我國(guó)目前冷卻水占工業(yè)用水的60%～70%,冷卻水所用的阻垢劑以磷系配方為主,而磷的排放易產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化直接導(dǎo)致破壞生態(tài)平衡;

    無(wú)機(jī)緩蝕劑中常用的鉻酸鹽、亞硝酸鹽等也具有較大的毒性;

    在大部分水處理劑制備過(guò)程中使用的原料基本上均為有機(jī)溶劑且均含有毒性,且在生產(chǎn)過(guò)程中消耗大量能源也在一定程度上對(duì)環(huán)境帶來(lái)了新的污染。

    因此目前水處理劑面臨的最大問(wèn)題是產(chǎn)生二次污染跟非清潔生產(chǎn)綠色化。
三、當(dāng)前水處理劑的綠色化進(jìn)程

    針對(duì)水處理劑產(chǎn)生二次污染和生產(chǎn)過(guò)程非清潔綠色化的問(wèn)題。人們開(kāi)始研究各種綠色水處理劑，而且在國(guó)外，綠色水處理劑的使用已經(jīng)日趨成熟。在我國(guó)，水處理劑的綠色化將是未來(lái)的一個(gè)重要發(fā)展方向。
    綠色水處理劑可表現(xiàn)在阻垢劑、緩蝕劑、絮凝劑上，且目前，阻垢劑已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)綠色化并投入使用。

(一)阻垢劑

    在所有水處理劑中,阻垢劑的綠色化進(jìn)展最快。其中高聚物阻垢劑的研究顯得極為活躍,可分為丙烯酸類、馬來(lái)酸類、馬來(lái)酸/丙烯酸類、磺酸類和含磷類聚合物阻垢劑等。目前國(guó)內(nèi)主要使用的聚羧酸類阻垢劑雖具有低劑量效應(yīng)、毒性小、價(jià)廉且阻垢效果好等優(yōu)點(diǎn),但由于在水中它易形成聚丙烯酸鈣,當(dāng)Ca2+濃度高時(shí),效果更差且生物降解性差,因此,已逐漸被能夠生物降解的綠色阻垢劑聚天冬氨酸 PASP等代替。

    聚天冬氨酸(Polyasparticacid,PASP)是近年來(lái)受海洋動(dòng)物代謝的啟發(fā)而研制成功的一種水溶性生物高分子材料,它具有羧酸的性質(zhì),無(wú)毒、無(wú)污染、不破壞環(huán)境、熱穩(wěn)定性好,同時(shí)還具有可貴的生物降解性,可以改變鈣鹽的晶體結(jié)構(gòu),是一種公認(rèn)的阻垢分散劑更新?lián)Q代產(chǎn)品,可用于高溫工業(yè)用水、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、鍋爐及油氣田阻止碳酸鈣的生成。

    采用馬來(lái)酸酐為原料,以固相熱縮合的方法在最佳工藝條件下制得的PASP的平均收率>95.6%,產(chǎn)物粘均分子量1.37×104,平均阻垢率大于93%。聚天冬氨酸及其復(fù)配物是一種性能優(yōu)良,可適宜于高溫、高鈣、高堿度水系使用的綠色水處理劑。

(二)緩蝕劑

    緩蝕劑主要有無(wú)機(jī)和有機(jī)緩蝕劑。緩蝕劑的發(fā)展從最初的鉻酸鹽、聚磷酸鹽到現(xiàn)在的有機(jī)系列有機(jī)膦酸鹽,從高磷、含金屬的配方到低磷、全有機(jī)配方,從單一配方到復(fù)合配方,正朝著多品種、高效率、低毒性等方向發(fā)展。有機(jī)膦酸類是陰極型緩蝕劑,其共聚物同時(shí)含有磷酰基和羧基,兼具阻垢、分散、緩蝕功能,無(wú)毒,不會(huì)造成二次污染,不需加酸調(diào)節(jié)pH值,藥劑不易水解,耐高溫且操作簡(jiǎn)化安全。

(三)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(wú)機(jī)、高分子、復(fù)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(guò)分子設(shè)計(jì)和合成手段剪裁分子結(jié)構(gòu)從而可以根據(jù)應(yīng)用需求調(diào)控其性能,但其在處理后的水溶液中殘留物難生物降解,從而產(chǎn)生二次污染。因此,絮凝劑的綠色化應(yīng)主要著眼于天然高分子絮凝劑上。根據(jù)來(lái)源,天然高分子絮凝劑可分為:多糖類、甲殼素類及微生物絮凝劑類。

    甲殼素的衍生物殼聚糖是目前自然界中唯一發(fā)現(xiàn)的堿性多糖類天然高分子,從而使其具有非常特殊的性能和用途。它在電鍍廢水、印染廢水、食品廢水、重金屬?gòu)U水和給水凈化等方面應(yīng)用廣泛。殼聚糖的改性產(chǎn)物如殼聚糖-丙稀酰胺接枝共聚物比殼聚糖有更高的架橋絮凝能力,而且與無(wú)機(jī)絮凝劑有很強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng),適合于含重金屬離子的綜合廢水處理
四、綠色水處理劑的發(fā)展方向

    按照可持續(xù)發(fā)展的要求,水處理技術(shù)的綠色化進(jìn)程將會(huì)加快,開(kāi)發(fā)研制適合環(huán)境保護(hù)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(yè)水處理領(lǐng)域中最主流的研究方向。綠色水處理劑的發(fā)展方向主要有兩個(gè)。一是生產(chǎn)過(guò)程綠色化，而是使用過(guò)程綠色化。
(一)水處理劑的生產(chǎn)過(guò)程綠色化
    生產(chǎn)過(guò)程綠色化的要點(diǎn)在于如何利用現(xiàn)成的材料，用盡量少的步驟、能量來(lái)最大效率獲得所需要的產(chǎn)品而不產(chǎn)生污染或少產(chǎn)生污染，和副產(chǎn)品。具體應(yīng)該從分子結(jié)構(gòu)的新設(shè)計(jì)、原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)、生產(chǎn)工藝的改進(jìn)三方面入手。

1.分子結(jié)構(gòu)的新設(shè)計(jì)

    由于綠色水處理劑及其清潔化生產(chǎn)工藝還處在初步研究階段,為了節(jié)約探索時(shí)間,計(jì)算機(jī)可模擬進(jìn)行虛擬反應(yīng)而篩選最佳原料和設(shè)計(jì)最優(yōu)的合成路線。目前采用分子模擬進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和剪裁及對(duì)用于工業(yè)生產(chǎn)的預(yù)期指標(biāo)進(jìn)行研究的主要包括膦酸鹽類和聚合物類阻垢劑。
2.原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)
    原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)是把原料分子中的原子最大限度地結(jié)合到目標(biāo)分子中，不產(chǎn)生副產(chǎn)物或廢物，達(dá)到廢物的零排放。選擇天然產(chǎn)物為原料,同時(shí)在合成路線上實(shí)現(xiàn)原子經(jīng)濟(jì)性。以聚天冬氨酸的合成為例，以磷酸為催化劑，可以制得相對(duì)分子質(zhì)量高的線性聚天冬氨酸，但存在副產(chǎn)物的分離和排放問(wèn)題。若不采用磷酸催化劑，通過(guò)改變反應(yīng)條件采用乙醇酸，能夠制得相同質(zhì)量的聚天冬氨酸，但無(wú)副產(chǎn)物生成，實(shí)現(xiàn)了原子經(jīng)濟(jì)性合成。

3.生產(chǎn)工藝的改進(jìn)

    阻垢劑對(duì)金屬離子往往具有很強(qiáng)的螯合力，在其合成過(guò)程中，有可能與金屬催化劑反應(yīng)生成螯合物，增加分離過(guò)程和廢物排放，若能采用不與阻垢劑反應(yīng)的非金屬催化劑，即可實(shí)現(xiàn)潔凈生產(chǎn)。例如，在聚環(huán)氧琥珀酸合成過(guò)程中，聚環(huán)氧琥珀酸與金屬催化劑生成的螯合物非常穩(wěn)定，凈化分離聚環(huán)氧琥珀酸需要調(diào)節(jié)pH值和減壓蒸餾并排放蒸餾廢液。采用性能穩(wěn)定的固體催化劑，即可以免去聚環(huán)氧琥珀酸的凈化分離過(guò)程和對(duì)環(huán)境的污染。

(二)水處理劑的使用過(guò)程綠色化

1.有效替代品的使用
    對(duì)那些可能產(chǎn)生二次污染的物質(zhì)，應(yīng)盡量使用其他可替代的且有效的水處理劑產(chǎn)品的使用，如原來(lái)使用的有機(jī)磷酸中磷的排放易產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化,破壞生態(tài)平衡，使用鉻酸鹽、亞硝酸鹽等無(wú)機(jī)緩蝕劑具有較大的毒性，這些都可使用鉬酸鹽、鎢酸鹽、硅酸鹽等無(wú)機(jī)緩蝕劑和全有機(jī)系水處理劑以及新近開(kāi)發(fā)的聚天冬氨酸 PASP、聚環(huán)氧琥珀酸 PESA

和烷基環(huán)氧羧酸等綠色阻垢劑作為替代；有機(jī)胺是緩蝕劑使用最大的一類,在實(shí)際應(yīng)用中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(bǔ)救措施

    而對(duì)那些尚無(wú)替代且行之有效的水處理劑產(chǎn)品的使用,應(yīng)盡快開(kāi)發(fā)配套的治理方案予以補(bǔ)充,如對(duì)工業(yè)水處理后的排放,可以采用太陽(yáng)能并借助納米光催化劑如TiO2對(duì)殘余藥劑進(jìn)行氧化降解,或采用新型的超臨界水氧化技術(shù)。這些措施對(duì)使用過(guò)程的綠色化都是良好的補(bǔ)充。
五、結(jié)語(yǔ)

    在環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重的今天，從根本上減少污染物的排放是最切合實(shí)際，最符合可持續(xù)發(fā)展的觀念的。因此，水處理劑的綠色化是時(shí)代的必然要求。但是，目前水處理劑中只有阻垢劑基本達(dá)到綠色化。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不斷加快的情況下，生產(chǎn)必定也在加快。而在各種生產(chǎn)中，水處理劑所扮演的角色起到了重大的作用。因此，必須根據(jù)綠色化學(xué)的要求大力的開(kāi)發(fā)新型的綠色水處理劑，以使水處理劑中緩蝕劑，絮凝劑的綠色化進(jìn)程也跟上阻垢劑的發(fā)展腳步，最終達(dá)到真正的綠色化生產(chǎn)，綠色化處理的目標(biāo)。

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