網(wǎng)狀分子顯威力，還潔凈于水世界

梁偲

本文圍繞2018年上海市技術(shù)發(fā)明一等獎項目

——“功能化三維聚合物類水處理藥劑的創(chuàng)新設(shè)計與工程應(yīng)用”展開，

該獎項由同濟大學(xué)李風(fēng)亭教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊獲得。

1950年，在日本水俁灣附近的小漁村中發(fā)現(xiàn)大批精神失常而自殺的貓和狗；之后水俁鎮(zhèn)又出現(xiàn)了怪病人，開始時步態(tài)不穩(wěn)、面部呆癡，進(jìn)而耳聾眼瞎、全身麻木，最后精神失常，高叫而死。調(diào)查后發(fā)現(xiàn)這些人和貓、狗是因為吃了毒魚而發(fā)病，而當(dāng)?shù)鼗蕪S是罪魁禍?zhǔn)祝麄儼汛罅坑袡C汞廢水排入了水俁灣，這就是著名的“水俁病事件”。

人們自古逐水而居，然而，工業(yè)文明卻給自然環(huán)境帶來了無法治愈的傷害，首當(dāng)其沖的就是人類賴以生存的水資源。在我國，2/3以上的河流受到不同程度的污染，兒童血鉛超標(biāo)、癌癥村等事件的頻繁出現(xiàn)。世界衛(wèi)生組織調(diào)查報告曾指出，人類80%的疾病與飲用水水質(zhì)不良有關(guān)。

太湖水污染事件：2007年5月底，江蘇省無錫市城區(qū)市民家中自來水水質(zhì)突然發(fā)生變化，并伴有難聞的氣味。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，造成水質(zhì)突然變化的原因是市內(nèi)的太湖水體富營養(yǎng)化（指水體中氮、磷等營養(yǎng)鹽含量過多而引起的污染）較嚴(yán)重，引起藍(lán)藻暴發(fā)，嚴(yán)重影響水質(zhì)

事實上，我們生活中使用量最大的自來水在燒開后只能殺死細(xì)菌和病毒，卻無法去除污水里的有毒有機物和鎘、鉛、砷等重金屬離子。但是，你能想象嗎，就算是在今天，工廠里的廢水、城市居民生活污水最后仍將排放到江河湖泊中，成為下游城市的飲用水源。這就要求污水和廢水在排放到江河湖泊之前，必須采取各種方法去除水里的污染物，將風(fēng)險降到最低。

想知道如何把這些看起來充滿惡臭的水處理成凈水嗎？先來了解一下水處理的方法。

一般的水處理方法

水處理的方法主要有兩大類，一類是生物處理；另一類是物理化學(xué)處理。生物處理主要依靠微生物細(xì)菌來降解水體中的有機物，但是——對于水體里面的有毒物質(zhì)，如重金屬、難降解的有機物等，通常難以用生物處理方法，這時就需要用物理化學(xué)處理的方法。

物理化學(xué)處理方法既可通過物理作用分離，如過濾、沉淀、上浮、離心分離等；也可利用化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，如水的PH值調(diào)節(jié)、混凝、化學(xué)沉淀等；還可利用物理化學(xué)作用去除污染物，如離子交換、膜分離、電化學(xué)等。

一般的水處理工藝流程分為三級：一級處理是物理機械處理，主要是去除粗大顆粒和懸浮物，即通過物理方法實現(xiàn)固液分離；二級處理是生物處理，以去除不可沉懸浮物和溶解性可生物降解有機物；三級處理采用物理化學(xué)方法進(jìn)行深度處理，如進(jìn)行脫氮、脫磷處理，用活性炭吸附等方法去除污染物，并進(jìn)行消毒滅菌，然后排放或重新回用。

當(dāng)然，飲用水處理要求更嚴(yán)格，可能還有更多的流程，如除鐵、除錳、除氟、軟化、淡化等，以滿足國家的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，包括微生物指標(biāo)、毒理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)等。

我國水處理技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，從循環(huán)冷卻水的處理發(fā)展到污水綜合處理，從物理處理發(fā)展到物理、化學(xué)、生物綜合處理，為水資源的安全、合理應(yīng)用提供了技術(shù)保證，在節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)、用水安全中發(fā)揮了巨大的作用。

高效的凈水劑是核心

進(jìn)行水處理，凈水劑（或水處理劑）是核心。凈水劑是絮凝劑、阻垢劑、緩蝕劑、殺菌劑等一大類化工產(chǎn)品的總稱，廣泛用于電力、醫(yī)藥、化工等污水處理行業(yè)，目的是去除懸浮物、殺菌除臭、軟化水質(zhì)、穩(wěn)定水質(zhì)等。

高效的凈水劑一直是科學(xué)家追求的目標(biāo)，去除有毒物質(zhì)又是其中需要重點攻克的難題。然而，目前去除有毒物質(zhì)的凈水劑大多是線型的，它的缺點是易發(fā)生卷曲，吸附水體中污染物的效率不高。由此，研發(fā)人員都在思考，能否跳出傳統(tǒng)凈水劑的結(jié)構(gòu)局限，引入三維空間聚合物，從而解決吸附效率低、發(fā)生卷曲等問題。

其中，同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院的李風(fēng)亭教授團(tuán)隊就是一支重要的研究力量。李風(fēng)亭是聯(lián)合國環(huán)境署-同濟大學(xué)可持續(xù)發(fā)展學(xué)院的副院長，他還擔(dān)任聯(lián)合國環(huán)境署-中國科技部非洲水行動專家組組長。李風(fēng)亭團(tuán)隊在水資源管理和水處理領(lǐng)域長期深耕，很多水處理化學(xué)品成果已經(jīng)在全球各地得到使用，而獲得了2018年上海市技術(shù)發(fā)明一等獎的“三維聚合物水處理藥劑”只是課題組眾多應(yīng)用成果中的一項，這項研究成果目前已轉(zhuǎn)讓50多家企業(yè)，引領(lǐng)了產(chǎn)業(yè)升級及技術(shù)創(chuàng)新。

線型到立體的突破

就像我們用魚鉤釣魚的效率不及用網(wǎng)來捕魚一樣，如果能夠?qū)崿F(xiàn)常用的凈水劑在分離水體中污染物時，從線型結(jié)構(gòu)到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的變化，那么污染物的分離效率會大幅度提升。

基于上述想法，李風(fēng)亭將線型凈水劑分子通過交聯(lián)的方式，制備成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凈水劑。這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以是樹枝狀的聚合物，也可以是球型結(jié)構(gòu)的聚合物，它們通常不會像線型結(jié)構(gòu)那樣發(fā)生自纏繞卷曲和沉積現(xiàn)象。

立體樹枝狀聚合物的形成過程

難降解有機物去除示意圖

不同的凈水劑：左側(cè)三維樹枝狀聚合物已廣泛用于重金屬廢水和垃圾飛灰的穩(wěn)定處理；中間交聯(lián)型生物可降解聚環(huán)氧琥珀酸用于循環(huán)冷卻水污垢的分散；右側(cè)的復(fù)合鐵鹽混凝劑已廣泛用于鋼鐵、市政等污水處理

在立體聚合物表面接上不同的官能團(tuán)，就可以賦予凈水劑不同的性質(zhì)，從而有針對性地捕捉不同的污染物，達(dá)到凈水的目標(biāo)。例如，去除難降解有機物：當(dāng)立體聚合物表面為銨離子時，可以有效吸附多數(shù)難降解污染物，如氰、酚致癌物，多環(huán)芳烴等，達(dá)到網(wǎng)捕和分離作用。再如，捕捉重金屬：當(dāng)立體聚合物表面為硫代羧酸鹽時，它對于重金屬的絡(luò)合性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常用重金屬捕捉劑，可使重金屬指標(biāo)控制在國家標(biāo)準(zhǔn)的1/10甚至是1/100；沉積的重金屬通過熔融冶煉回收，又實現(xiàn)了重復(fù)利用。

團(tuán)隊針對生物方法難以處理的難降解有機物、重金屬廢水和水垢等難題，研發(fā)了不同的立體聚合物凈水劑，大大提高了水處理效率。

為“一帶一路”做出重要貢獻(xiàn)

立體網(wǎng)狀聚合物凈水劑目前已經(jīng)在工業(yè)污水、循環(huán)水和飲用水處理中得到廣泛應(yīng)用，如利用交聯(lián)的聚氯化鋁用于冬季飲用水預(yù)處理，可降低凈水劑使用量的40%以上，處理后完全達(dá)到國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)，這一技術(shù)在上海、浙江、江蘇等多個省市的自來水企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

這些三維水處理劑還推廣到了韓國、意大利、烏克蘭、英國、肯尼亞等40多個國家。作為科技部應(yīng)對氣候變化的技術(shù)之一，曾在坎昆全球氣候變化締約國會議和非洲環(huán)境部長會議期間發(fā)布，為“一帶一路”沿線國家和非洲安全供水、水資源保護(hù)、民生保障等做出了重要貢獻(xiàn)。

在非洲，水處理最關(guān)鍵的指標(biāo)是微生物，如果微生物不達(dá)標(biāo)就會暴發(fā)各種傳染病，因此飲用水的消毒處理十分嚴(yán)格。第二個指標(biāo)就是濁度，在這里，由于森林受到砍伐，因此每當(dāng)雨季，河流水就會變得十分渾濁，這對于水資源本身就比較匱乏的非洲無異于雪上加霜。用常規(guī)的硫酸鋁+石灰的處理方法效果并不理想，濁度仍然很高，即飲用水用肉眼就能看到渾濁；而用歐美企業(yè)的水處理劑進(jìn)行處理，成本通常都很高。

在科技部中非環(huán)境合作項目的資助下，李風(fēng)亭課題組開始對非洲水資源和水環(huán)境展開研究。從2005年開始，李風(fēng)亭先后60多次來到非洲，足跡遍布肯尼亞、坦桑尼亞、埃塞俄比亞、摩洛哥等等。在肯尼亞首都內(nèi)羅畢，其最大的自來水廠每天處理飲用水50萬立方米。李風(fēng)亭教授連技術(shù)帶人一起到此展開研究，通過提供高效的水處理劑，解決了雨季難處理高濁度水的難題，大大提高了供水水質(zhì)，且處理工藝簡單，成本大大降低。

2012年在李風(fēng)亭（左一）內(nèi)羅畢水廠進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)

李風(fēng)亭教授還在非洲開展了安全供水示范工程和污水處理示范工程，致力于讓更多的人喝上安全、干凈的水。2013年，聯(lián)合國授予李風(fēng)亭教授“聯(lián)合國南南合作特別貢獻(xiàn)獎”，以表彰他在南南水環(huán)境合作方面的特殊貢獻(xiàn)。而這些貢獻(xiàn)，幾乎付出了生命的代價。每次旅非考察，自然條件惡劣，車在盤山公路上爆胎拋錨時，貓科動物的出沒讓人膽戰(zhàn)心驚；有一次在摩洛哥，被蚊蟲叮咬后李風(fēng)亭身體出現(xiàn)極度不適，臨時下飛機后獨自一人在卡薩布蘭卡機場的長椅上躺了兩個小時才緩過來，他當(dāng)時以為自己回不了祖國了。后來回國就醫(yī)，兩個多月后才逐漸恢復(fù)。

李風(fēng)亭說：“在繼續(xù)推進(jìn)國家之間全面合作以及水處理方面，我們還有很長的一段路要走。以前，凈水劑做得較好的都是國外的跨國企業(yè)，如凱米拉、威立雅、愛森等，他們的凈水劑處理效果好，針對不同污染物的凈水劑品種也多，很多行業(yè)都使用他們的產(chǎn)品。但是，我國目前正在逐漸追趕上來，已經(jīng)成為生產(chǎn)能力最強的國家，一些國外企業(yè)也會購買我們的產(chǎn)品。不過，我國在有機水處理劑的品種數(shù)量方面還存在差距，未來我們需要更多地參與國際合作，引領(lǐng)國際前沿。”

論文寫在祖國的大地上，研究成果只有轉(zhuǎn)化才能產(chǎn)生價值。李風(fēng)亭教授也一直是這樣做的，其團(tuán)隊目前已與50多家企業(yè)合作，產(chǎn)品覆蓋5 000多家污水處理廠，其中鐵鹽凈水劑的國內(nèi)市場覆蓋率超過了50%。除了成果產(chǎn)業(yè)化，李教授還主持了多項凈水劑標(biāo)準(zhǔn)的制定，目前已形成27項國家標(biāo)準(zhǔn)和21項行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，獲得中國發(fā)明專利62項，美國專利4項。

隨著新型網(wǎng)狀納米結(jié)構(gòu)聚合物研究的深入，圍繞水處理和環(huán)境保護(hù)，李風(fēng)亭團(tuán)隊又將其研究和成果不斷向水處理流程的后端延伸，他們希望通過科技創(chuàng)新對水處理的閉環(huán)流程提供更多的支撐，持續(xù)為上海的生態(tài)環(huán)境改善貢獻(xiàn)力量。

水凈化是一個永恒的課題

水的處理過程是一個涉及到氣體-固體-液體的三相系統(tǒng)，不僅覆蓋地球表面的各種元素，同時涉及化學(xué)、物理和生物的多種反應(yīng)。無論是飲用水還是各種污水的處理，制約因素主要在于材料和能耗，因此能夠提升處理效率的材料和技術(shù)，如納米材料吸附、新型膜材料和膜分離技術(shù)、高效降級污染物的優(yōu)勢菌種篩選和優(yōu)化、以有機污染物作為基礎(chǔ)物質(zhì)的燃料電池能源回收技術(shù)等等，都是未來水處理的新方法，對于這一行業(yè)將起到極大的推動作用。

此外，融入綠色化學(xué)理念的凈水劑也是未來全球水處理的發(fā)展方向，即從原料選擇、生產(chǎn)過程到未端廢棄環(huán)節(jié)的全產(chǎn)業(yè)鏈過程都考慮對生態(tài)環(huán)境的影響，開發(fā)無污染、易降解、低成本的綠色凈水劑。

發(fā)展、污染、治理、最終回歸潔凈——人與水資源之間這樣不斷碰撞，磨合，直至和諧的關(guān)系，這是人類在工業(yè)發(fā)展進(jìn)程中的必經(jīng)之路。良好的水環(huán)境生態(tài)和安全的飲用水，是全人類的共同追求。即使在今天，我們安全的飲用水中，仍然含有大量的納米級顆粒物和不同的溶解性礦物質(zhì)，重視對水源的保護(hù)才是關(guān)鍵。隨著生活水平的提升，我們對于飲用水和水環(huán)境將不斷提出更高的要求，因此，水的凈化將是一個永恒的課題！