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”的提出，從根本上減少或消滅那些對人類健康或環(huán)境有害的原料、產物、副產物、溶劑和試劑等的產生和應用。顯然，綠色化學的總體思路是從根本上消滅污染源，使得廢物不再產生，不再有廢物處理問題，因而綠色化學是一門從源頭上徹底阻止污染的化學。所以該概念的提出給環(huán)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,并被認為它是21世紀水處理劑的發(fā)展方向。
綠色水處理劑又稱環(huán)境友好型水處理劑,是指其生產過程清潔化,使用過程不影響人體健康和環(huán)境,并可生物降解而對環(huán)境無害的水處理劑。它要求水處理劑生產用原材料和轉化試劑的綠色化、水處理劑生產反應方式的綠色化、水處理劑生產反應條件的綠色化。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
水處理劑是當前水工業(yè)、污染治理與節(jié)水回用處理工程技術中應用最廣泛、用量最大的特殊產品之一，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行狀況、最終出水質量及成本費用。
絮凝沉淀法是廢水處理技術中使用最廣泛、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為無機聚合物。但是目前使用的無機與有機絮凝劑都存在一些問題,并對人體健康有一定的影響。
在有機高分子絮凝劑中,PAM及其衍生物約占85%。雖然PAM本身基本無毒,但其中所含的在生產過程中未完全轉化的丙烯酰胺單體卻是一種毒害神經性很強的物質,且有很強的致癌性,會對人類健康構成巨大的威脅。生產過程中夾帶的有毒重金屬及PAM的難降解性也會對環(huán)境帶來二次污染的問題。
其他水處理劑存在的問題
我國目前冷卻水占工業(yè)用水的60%～70%,冷卻水所用的阻垢劑以磷系配方為主,而磷的排放易產生富營養(yǎng)化直接導致破壞生態(tài)平衡;
無機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程中使用的原料基本上均為有機溶劑且均含有毒性,且在生產過程中消耗大量能源也在一定程度上對環(huán)境帶來了新的污染。
因此目前水處理劑面臨的最大問題是產生二次污染跟非清潔生產綠色化。
三、當前水處理劑的綠色化進程
針對水處理劑產生二次污染和生產過程非清潔綠色化的問題。人們開始研究各種綠色水處理劑，而且在國外，綠色水處理劑的使用已經日趨成熟。在我國，水處理劑的綠色化將是未來的一個重要發(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，阻垢劑已經基本實現(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、馬來酸類、馬來酸/丙烯酸類、磺酸類和含磷類聚合物阻垢劑等。目前國內主要使用的聚羧酸類阻垢劑雖具有低劑量效應、毒性小、價廉且阻垢效果好等優(yōu)點,但由于在水中它易形成聚丙烯酸鈣,當Ca2+濃度高時,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)是近年來受海洋動物代謝的啟發(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,無毒、無污染、不破壞環(huán)境、熱穩(wěn)定性好,同時還具有可貴的生物降解性,可以改變鈣鹽的晶體結構,是一種公認的阻垢分散劑更新?lián)Q代產品,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
緩蝕劑主要有無機和有機緩蝕劑。緩蝕劑的發(fā)展從最初的鉻酸鹽、聚磷酸鹽到現(xiàn)在的有機系列有機膦酸鹽,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(fā)展。有機膦酸類是陰極型緩蝕劑,其共聚物同時含有磷?；汪然?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(jié)pH值,藥劑不易水解,耐高溫且操作簡化安全。
(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調控其性能,但其在處理后的水溶液中殘留物難生物降解,從而產生二次污染。因此,絮凝劑的綠色化應主要著眼于天然高分子絮凝劑上。根據來源,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、重金屬廢水和給水凈化等方面應用廣泛。殼聚糖的改性產物如殼聚糖-丙稀酰胺接枝共聚物比殼聚糖有更高的架橋絮凝能力,而且與無機絮凝劑有很強的協(xié)同效應,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,水處理技術的綠色化進程將會加快,開發(fā)研制適合環(huán)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(yè)水處理領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。一是生產過程綠色化，而是使用過程綠色化。
(一)水處理劑的生產過程綠色化
生產過程綠色化的要點在于如何利用現(xiàn)成的材料，用盡量少的步驟、能量來最大效率獲得所需要的產品而不產生污染或少產生污染，和副產品。具體應該從分子結構的新設計、原子經濟性反應、生產工藝的改進三方面入手。
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(jié)約探索時間,計算機可模擬進行虛擬反應而篩選最佳原料和設計最優(yōu)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(yè)生產的預期指標進行研究的主要包括膦酸鹽類和聚合物類阻垢劑。
2.原子經濟性反應
原子經濟性反應是把原料分子中的原子最大限度地結合到目標分子中，不產生副產物或廢物，達到廢物的零排放。選擇天然產物為原料,同時在合成路線上實現(xiàn)原子經濟性。以聚天冬氨酸的合成為例，以磷酸為催化劑，可以制得相對分子質量高的線性聚天冬氨酸，但存在副產物的分離和排放問題。若不采用磷酸催化劑，通過改變反應條件采用乙醇酸，能夠制得相同質量的聚天冬氨酸，但無副產物生成，實現(xiàn)了原子經濟性合成。
3.生產工藝的改進
阻垢劑對金屬離子往往具有很強的螯合力，在其合成過程中，有可能與金屬催化劑反應生成螯合物，增加分離過程和廢物排放，若能采用不與阻垢劑反應的非金屬催化劑，即可實現(xiàn)潔凈生產。例如，在聚環(huán)氧琥珀酸合成過程中，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程和對環(huán)境的污染。
(二)水處理劑的使用過程綠色化
1.有效替代品的使用
對那些可能產生二次污染的物質，應盡量使用其他可替代的且有效的水處理劑產品的使用，如原來使用的有機磷酸中磷的排放易產生富營養(yǎng)化,破壞生態(tài)平衡，使用鉻酸鹽、亞硝酸鹽等無機緩蝕劑具有較大的毒性，這些都可使用鉬酸鹽、鎢酸鹽、硅酸鹽等無機緩蝕劑和全有機系水處理劑以及新近開發(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；有機胺是緩蝕劑使用最大的一類,在實際應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”的補救措施
而對那些尚無替代且行之有效的水處理劑產品的使用,應盡快開發(fā)配套的治理方案予以補充,如對工業(yè)水處理后的排放,可以采用太陽能并借助納米光催化劑如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。
五、結語
在環(huán)境污染越來越嚴重的今天，從根本上減少污染物的排放是最切合實際，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代的必然要求。但是，目前水處理劑中只有阻垢劑基本達到綠色化。在經濟發(fā)展速度不斷加快的情況下，生產必定也在加快。而在各種生產中，水處理劑所扮演的角色起到了重大的作用。因此，必須根據綠色化學的要求大力的開發(fā)新型的綠色水處理劑，以使水處理劑中緩蝕劑，絮凝劑的綠色化進程也跟上阻垢劑的發(fā)展腳步，最終達到真正的綠色化生產，綠色化處理的目標。
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