2018 年水处理领域创新科技盘点：三明治纳米复合物可同时移除废水及土壤中的铬和镉

2018 年水处理领域创新科技盘点：三明治纳米复合物可同时移除废水及土壤中的铬和镉

在过去的2018年，水处理领域涌现出了很多新颖的技术，每一项创新都有可能在不久的将来给我们的生产生活带来难以想象的变化，今天小编就来盘点一下2018年发布的几项创新技术。

1. 可同时去除废水和土壤中铬和镉的“三明治”纳米复合材料的问世

中国科学院合肥物质科学研究院技术生物与农业工程研究所吴正彦研究员课题组在重金属污染修复方面取得新进展。该工作为同时去除水体和土壤中的六价铬（Cr(VI)）和二价镉（Cd(II)）提供了新思路，具有良好的应用前景。相关成果已被接受发表在美国化学会会刊材料科学与工程杂志ACS&（DOI：10.1021/.）上。

随着工业的快速发展，大量重金属进入环境，并易通过食物链进入人体，对生态系统和人类造成严重危害。其中Cr(VI)和Cd(II)是两种常见的共存重金属离子，具有较高的协同毒性。现有的方法主要针对Cr(VI)或Cd(II)的去除，限制了这些方法的实际应用，迫切需要开发同时去除的方法。

研究团队分别将硫化亚铁和功能化的四氧化三铁沉积在棉布上，通过面对面结合的方式，制备出一种“三明治”纳米复合材料。此体系可同时去除水或土壤中的Cr(VI)和Cd(II)。该复合材料易于弯曲和回收利用，对修复受Cr(VI)和Cd(II)污染的水和土壤有很高的应用前景。

该工作得到中科院青促会项目、中科院STS项目、安徽省重大项目、安徽省环境保护项目等的资助。

技术示意图

2、立体石墨烯管道治污神器，光照两周污水变清澈

中国科学院上海硅酸盐研究所首席研究员黄富强带领的团队近日成功研制出一种新型污染控制材料，该材料在光照两周后即可显著改善水质，使污水变得更清澈。相关成果今年初荣获“国家自然科学奖”二等奖，目前已在上海、安徽、江苏等地成功示范。

黄富强介绍，这种新材料是三维石墨烯管和黑色二氧化钛的混合物，其原理是“物理吸附+光化学催化降解”。三维石墨烯管负责把有毒有机物牢牢“抓住”，而黑色二氧化钛作为光催化剂，可以吸收高达95%的全太阳光谱，将有毒有机物降解为二氧化碳和水。

左图：在中国科学院上海硅酸盐研究所实验室，研究团队的科研人员将新型污染修复材料倒入富含油类的量杯污水中，开始测试吸附效果的持续时间。

右：吸附效果测试结果显示，经过3分4秒，量杯中的污水由亮黄色变为清澈，刺激性气味消失。中科院上海硅酸盐研究所首席研究员黄富强带领的团队近日成功研发出一种新型污染控制材料，可显著改善水质，光照2周内污水即可变清澈。

近一个月来，团队在上海、安徽、江苏等地铺设了3000余张新材料光降解吸附网，覆盖水域面积近4万平方米。

在上海天山公园和中山公园，湖边居民反映湖底淤泥厚，有腥臭味，湖面经常漂浮死鱼。将涂覆有新材料的光降解吸附网铺设在湖面后，水底淤泥不被移动，吸附网可将有机物分解为二氧化碳和水，从而增加水体含氧量，增强水体自净和生态修复能力。上海轻工业环境保护技术研究院测试中心和江苏省环境科学院环境工程重点实验室的检测结果显示，仅处理7天后，化学需氧量、氨氮、总磷等代表性指标由Ⅴ类水改善为Ⅴ类水以上。

在安徽省合肥市肥东县，治理小组对污染严重的定广河中上游进行治理。肥东县环保局水环境治理科科长薛铁成说，定广河是典型的污染复杂的河流，经过此次治理，各项水质指标改善了60%以上。

据悉，该新材料还能降解印染废水、皮革废水等工业废水，高效吸收其中的有毒重金属。添加1克多孔新材料可吸收1.476克铅离子，经过简单酸化处理后，可加工成高附加值材料。目前，该成果已走出实验室，实现规模化制备，并已获得50多项发明专利。

3、中科院研制出“磁性Janus微球”，微小油滴分离效率高达99%。

中国科学院理化技术研究所研制出“磁性Janus微球”，可在两分钟左右分离水中微小油滴，分离效率高达99%。

近年来，随着工业、生活含油废水的大量排放，以及船舶排污、海上原油泄漏事件的频发，水体油污染已成为危害人类健康和环境安全的重大问题。“磁性Janus微球”为新一代油水分离材料的研发提供了新思路。

传统方式难以满足实际需求

一般来说，油在水中的存在形式，根据油滴的粒径大小可分为三类：粒径大于150微米的油滴称为漂浮油，这也是油进入水体的主要存在形式；粒径在20至150微米之间的油滴称为分散油；粒径小于20微米的油滴称为乳化油。无论是经过表面活性剂稳定的油滴，还是没有经过表面活性剂稳定的油滴，极小的乳化油都以油包水或油包水的形式悬浮在水中，非常稳定。

传统的油水分离方法有物理法、化学法、物理化学法、电化学法、生物法等，这些方法通常根据油水分离处理的实际情况单独使用或组合使用，传统方法存在分离效率低、占地面积大、分离成本高、易产生二次污染、能耗高等问题，难以满足油水分离的实际要求。

超小乳化油滴，油水难以分离

“油水分离本质上是一个界面科学的问题。”王树涛研究员说，近年来，科研人员从油水分离的科学本质和材料的润湿性出发，利用材料表面对油和水不同的润湿行为，如同时具有超疏水和超亲油性能，或同时具有超亲水和超疏油性能，开发出一系列超润湿油水分离材料，如超润湿膜、超润湿海绵等。

这些超润湿材料在分离浮油，甚至是表面活性剂稳定的油水混合物方面取得了以前的方法和材料难以实现的高效性和选择性。不过，王树涛强调，由于油水混合物的复杂性，未被表面活性剂稳定的水中微小油滴的分离往往被忽视。由于这些油滴在水中的粒径小于20微米，水和油的结合往往非常稳定，用传统方法很难高效快速地去除这些油滴。

因此研究开发微小油滴与水分离的新方法和新材料尤为迫切，这也是新型油水分离材料“磁性Janus微球”应运而生的原因之一。

独特结构高效捕获细小油滴

“磁性Janus微球”仅需两分钟就能将微小油滴从水中分离出来，分离效率高达99%，并且适用于不同比例、不同类型的油水混合物。为什么能达到如此高效的去除效果呢？

这依赖于其独特的“抓手”结构。由于微球具有凸起亲水、凹陷亲油的特性，所以被称为“磁性Janus微球”。其亲油性的“抓手”能与水中的微小油滴形成良好的结构匹配。当其加入到油水乳化液中时，其亲油性的“抓手”能有效捕获水中的微小油滴，结构互补，形成雪人状结构。在剧烈摇晃时，还能大大降低油水界面张力，使被捕获的微小油滴合并成大油滴，从而使油水乳化液快速分层。

最后，“磁性Janus微球”在油水界面发生自组装，即紧密排列在大油滴表面，在外界磁场作用下，稳定结合在一起的大油滴会沿着磁场方向移动，最终实现油水分离。

4、利用陶瓷基碳纳米管复合膜实现高盐废水零排放

大连理工大学环境学院环境污染控制工程实验室董英超教授与合作者D.等人在高性能陶瓷基复合膜的设计制备及高盐废水处理方面取得重要进展。

废水零排放是解决水污染与水资源危机、实现资源回收的重要途径，也是亟待解决的重要环境问题。与现有的热蒸馏等膜法脱盐技术相比，膜蒸馏作为一种新兴的分离技术，有望经济高效地实现高浓度含盐废水的零排放。若能充分利用工业余热或废热等低品位热源，膜蒸馏（MD）将具有很强的竞争力。MD的核心是多孔疏水膜，运行稳定，但现有的一些有机聚合物膜和疏水改性无机膜的长期热稳定性和疏水性较差，由此带来的膜润湿、膜污染、通量和脱盐率衰减等问题是限制其进一步工程应用的技术瓶颈。在国际上，如何开发新型膜材料、提高运行稳定性和膜性能是科学家们重点研究的具有挑战性的工程科学问题之一。

针对上述难点，研究团队在前期陶瓷膜载体制备工作的基础上，另辟蹊径，创新性地提出了一种新型结构——超疏水陶瓷基碳纳米管淡化膜的总体概念设计和应用策略。充分利用CNT的疏水性、热稳定性和导电性，以（耐热、高强度和高渗透性）多孔陶瓷膜为载体，设计制备出一种具有优异耐热和超疏水性能的新型结构“陶瓷-碳纳米管”复合膜。该膜具有特殊设计的膜结构、优异的运行稳定性和膜蒸馏性能，有望成为下一代高效分离膜。同时采用电化学辅助直接接触膜蒸馏（e-DCMD）方法，增强膜抵抗有机污染（以腐殖酸为例）的能力，实现对高盐废水的高效稳定处理。

图FC-CNT膜结构示意图及优异性能

本工作中膜结构与应用的设计思路具有普适性，有望适用于其他陶瓷或无机载体的高性能复合膜制备及废水、气体处理等应用。膜载体不局限于低成本的尖晶石，更适用于其他更常见的陶瓷载体，如氧化铝、二氧化钛、莫来石和氧化锆等。缓解膜污染不仅限于腐殖酸，通过定量控制复合膜的电负性，预计不同电荷特性物质的膜污染也能得到缓解。膜应用不仅限于海水淡化和高盐度废水处理，预计可适用于各类含有重金属、大分子、胶体等非挥发性溶质的废水体系，甚至气体净化。未来工作还将重点关注利用膜结晶和膜能提取技术（压力阻尼渗透（PRO）和反电渗析（RED）及其复合工艺）等耦合技术从高盐废水中提取矿物盐或回收绿色渗透能。本研究成果将为环境应用的新型无机陶瓷复合膜的设计与制备提供新思路和技术参考。

5.中科院宁波材料研究所研制出便携式正渗透膜海水淡化装置

便携高效的应急淡水补给装备对于执行特殊任务的军人、舰船船员、户外探险爱好者等群体来说是不可缺少的。

中科院宁波材料技术与工程研究所海洋环境材料团队突破相关技术瓶颈，制作出“便携式”正渗透海水淡化膜装置，转化效率提高至同类产品的2.5倍以上。

海水淡化，即利用海水淡化生产淡水，是缓解沿海地区和城市水危机的重要途径之一。预计到2020年，我国沿海地区高耗水企业的工业冷却水基本由淡化海水供应。

世界上有十​​几个国家的100多个科研机构正在开展海水淡化研究，有数百座不同结构、不同容量的海水淡化设施投入运行。实践中认为有效的方法主要有以下几类：第一类是蒸馏法，包括多级闪蒸（MSF）、压缩气体蒸馏（VC）、多效蒸馏（MED）等；第二类是膜法，包括反渗透（RO）、电渗析（ED）等；第三类是其他方法，如冷冻、溶剂萃取、露点蒸发淡化技术等。

目前，全球应用最为广泛的海水淡化技术是“反渗透”，占产能的65%。但“反渗透”工程复杂，不仅占地面积大、能耗高，而且运行维护成本高，不适宜小规模应用推广，在紧急情况下难以保证应急营养液的有效供应。

海水淡化的主要方法（图片来源：前瞻产业研究院）

宁波材料所团队研发的“便携式”海水淡化装置，基于“正向渗透”技术。正向渗透是指水通过选择性半透膜，从低浓度溶液的一端转移到高浓度溶液的另一端，而溶质被截留的过程。这是一种自发渗透过程，不需要外界压力驱动，能耗低，可以进一步降低“海水淡化”成本。这一前瞻性技术近年来备受国内外科研机构关注，但目前还很难看到成熟的正向渗透膜和正向渗透海水淡化装置及设备。

宁波材料所团队在材料研发上取得突破，研究人员通过精细调控支撑膜孔结构进而对其进行表面改性，获得了性能优异的正渗透膜材料：横截面为互穿网络结构，膜强度高；PAA的羧基赋予膜更强的亲水性，有利于水分子快速通过，提高水通量。

利用这种“升级版”的正向渗透膜，研究团队用胶水将其四边密封，制成了用于应急海水淡化的装置。试验结果显示，其海水淡化效率是该领域领头羊美国HTI（Inc.）公司同类产品的2.5倍以上。

无需内芯，简单清洗即可恢复膜的“脱盐”能力，在处理高污染水体方面具有显著优势。这种便携式装置用途广泛，可以为在海上、野外等特殊场所执行特殊任务的士兵、遇到突发事件的船舶船员、以及面临突发自然灾害和水道污染的人们提供应急淡水以维持生命。

6.哈尔滨工业大学马军教授团队发现利用高铁酸盐去除水中有机污染物的新方法

有机砷是国内外畜禽养殖中常用的药剂，由于其在水处理过程中去除效率低，会影响后续排放水体的水质，且释放的无机砷毒性很大，因此是国内外高度关注的难题。哈尔滨工业大学环境学院教授、城市水资源与水环境国家重点实验室马俊团队研究发现，利用高铁酸盐可以高效去除有机砷，利用高铁酸盐的强氧化作用和原位形成的纳米级氧化铁的吸附作用，可以实现有机砷污染物的高效去除。

水中微量有机污染物的去除是环境污染防治、生态保护和饮用水安全的核心问题。目前有机污染物常规的物理化学防治方法主要采用强氧化剂（如臭氧、过硫酸盐、高锰酸盐等）破坏目标物的化学结构，使其失去相应的化学性质（毒性），从而达到污染防治的目的。与化学氧化过程相比，物理吸附可以彻底去除水中的有机污染物，并保证处理水的生物稳定性。但对于微量有机污染物，必须投加大量的吸附剂才能达到高效去除污染物的目的，这大大增加了水处理的成本。同时，在实际的水处理过程中，大量吸附剂的投加可能会向水中引入新的污染物。

高铁酸盐是一种集氧化、吸附、絮凝、消毒等功能于一体的新型水处理剂，具有氧化能力强、反应活性高、产物（铁的氧化物）无毒、易絮凝等特点。以往对高铁酸盐的研究多集中于其氧化性能，而忽视了其还原产物（纳米级铁的氧化物）在污染物控制过程中的作用。

马军教授团队在利用高铁酸盐处理对氨基苯胂酸（一种常用的有机砷畜禽饲料添加剂）时发现，高铁酸盐不仅能高效氧化对氨基苯胂酸，其还原产物还能高效吸附体系中生成的无机砷和有机砷（对氨基苯胂酸的氧化产物对硝基苯胂酸），总砷（有机砷和无机砷）去除率可高达99%以上。此外，在反应过程中，高铁酸盐的氧化及其对铁氧化物的原位吸附作用可去除水中近60%的总有机碳。与单纯的化学氧化相比，高铁酸盐氧化过程特有的“氧化+吸附”效应可大幅提高有机污染物的去除效率，为解决有机砷污染控制问题提供了一条经济高效的技术发展路径。

高铁酸盐氧化对氨基苯胂酸的反应路径示意图

7.中科院新技术：工业废水重金属污染实时自动监测

铅、镉、铬等重金属污染严重威胁生态环境和人类健康。中国科学院安徽光学精密机械研究所研究员赵南京研制出一种新型环境监测系统，实现工业废水中多种重金属的实时在线自动监测。

近年来，重金属污染事件频发，其中危害最大的是铅、镉、铬、汞、砷等污染物。目前，水体重金属的在线测量主要采用比色法和电化学分析法，这两种方法各有缺陷，有的不能同时测量多种离子，有的灵敏度较低。

赵南京研制的“工业废水重金属在线监测技术系统”通过了专家组验收。该系统基于激光诱导击穿光谱技术，以石墨基底作为水样载体，通过石墨基底的自动装卸、水样的自动进样及精密滴定、样品干燥、光谱测量分析等环节，实现废水中重金属含量的连续在线自动监测，可同时测量铅、镉、铬、铜、镍、锌等多种重金属元素。

项目在激光诱导等离子体光谱增强技术、废水重金属自动富集、数据定量处理算法等方面取得了创新性成果。研究人员在某金属冶炼厂进行了为期两周的现场示范试验，并与电感耦合等离子体光谱法进行了对比，结果表明测量稳定性误差小于5%，相对误差在0.02%~9.1%之间，系统连续运行过程中无人值守，稳定可靠。

8、中科院宁波材料所新型油水分离材料被评为“优良设计”

在日前举行的2018中国创新设计大会暨“好设计”颁奖盛典上，中科院宁波材料技术与工程研究所新型油水分离材料及应用项目荣获“好设计”银奖。据悉，该油水分离材料主要用于溢油应急处理和含油废水处理，回收油品含油量大于90%，每小时可处理水面薄油层污染物1万余平方米。

获奖项目包括宁波材料所薛群基院士、曾志祥研究员团队自主研发的新型油水分离材料，以及基于该材料设计的多种新型智能装备技术。新型油水分离材料在发生溢油事故时，可实现高效快速的应急处置和油水分离；在处理石油化工、煤化工含油废水时，可实现以物理破乳代替化学破乳进行油水分离，减少二次污染，大幅降低成本。

图1. （上）超疏水PS/CNTs薄膜的制备及油水乳化液的分离，（下）Janus碳基薄膜分离油水乳化液

中国科学院宁波材料研究所高分子部研究员陈涛智能高分子材料团队长期致力于二维聚合物纳米复合油水分离材料的研究，通过表面接枝聚合物刷、多级组装技术等获得了多种新型复合材料，可实现油水乳化液的高效分离和水质净化。研究人员以多孔陶瓷为基底，过滤碳纳米管（CNT）成膜，利用自引发光接枝光聚合（self- ，SIPGP）将疏水聚合物聚苯乙烯（PS）接枝到CNTs表面，再协同利用CNTs薄膜的高粗糙度表面，获得超疏水二维杂化薄膜材料。该膜可用于微米、纳米级油包水乳状液的高通量高效分离（J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 15268-15272，图1，上，内封面）。在此基础上，将得到的超疏水PS/CNTs薄膜翻转转移到另一基底上，再次通过SIPGP将亲水性的聚（甲基丙烯酸二甲氨基乙酯）（）单向接枝到CNTs薄膜表面，从而得到具有亲水/疏水结构的双面（Janus）复合薄膜（/CNTs/PS），达到选择性分离水包油和油包水乳状液的效果（ACS Appl. Mater., 2014, 6, 16204，下图1）。

图2 CNTs/PS@AuNPs多层复合薄膜的催化降解及油水分离功能

In order to and from oily , the team a new type of multi-level and layer-by-layer to of oil-water and water . By using the , (PS@AuNPs) with high- gold are to form a film, and then a film is on the of the film to an super- multi-level film with (J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 10810, 2). the , the oil phase is by the upper tube film, and the water phase the lower film the the , the oil-water . 水相围绕微球孔，在水相中模型的有机污染物（硝基苯酚和硼氢化钠混合溶液）与孔内壁上的高密度金纳米颗粒完全接触，并且是迅速催化的，可快速催化的材料，以促进催化剂的材料，以实现这种构型的构成构图。水溶性有机污染物的乳液分离和催化分解，处理通量为3500 L M-2H-1BAR-1，催化效率高达92.6％，并且可以多次重复使用，并且可以连续运行，可用于新的分离技术。当银纳米颗粒（AG NP）被加载到超血性的CNT分离膜中时，可以使用银纳米颗粒的杀菌特性来杀死水中的有机污染物或细菌，同时在同一时间将油水分离，并在同一时间实现油水分离，并在同一时间达到有效的水净化。

根据实际的应用需求，团队还开发了一系列材料，例如超级吞噬油的材料，超级oper液亲水材料，高效油分离和水上供水材料，高效的油吸附材料，高效油的吸附和凝结材料以及高效的水上吸附材料和浓缩材料以及新型的秘密材料。海洋溢油紧急情况的系统，智能设备和解决方案，河流漏油紧急情况的设备和解决方案，新的煤炭化学油水分离设备和解决方案，新的聚合和凝结物理拆除设备和水处理解决方案等。

在油性废水处理领域，该项目是中国唯一的技术项目，它使用纯净的物理聚集和凝结来替代化学拆除，絮凝和浮选过程，并实现低成本，大水流和大规模应用。

尤其值得一提的是，随着电子产品越来越流行，从该项目中得出的超级流质涂层也可以在防水电子产品领域中使用，而材料研究所在此领域中取得了一系列的进展，“在设备上，一系列低速质量的制度效率是构建型号的效率，该级别的率是构成型号的，并且构成了质量的问题。 - 涂层过程，已经建立了一个多尺度的纳米涂层系统，以解决防水，保护和散热，波动和电导率之间的矛盾在世界上的顶峰。

9.世界上首次成功应用PTFE空心纤维膜在高氨氮废水治疗中

最近，由中国科学学院的达利安化学物理学研究人员开发的多氟乙烯（PTFE）空心纤维接触器技术已成功地用于除去高浓度的 ，以降级为2000年。 ，设计的废水氮浓度为10mg/l。

该工业项目由达利安化学物理研究所共同完成，该研究所提供了PTFE膜组件和过程流程设计，以及负责工程设计和制造以及现场实施的 。

经过72个小时的现场操作，氮气浓度稳定在2〜7mg/L，满足国家钒工业污染排放标准（10mg/L）的要求，国家污水处理标准标准1A（8mg/l）是PTFE Ammon的第一个成功范围。由于PTFE膜材料的出色疏水性和抗冲洗性能，因此使用廉价的石灰而不是液体碱来调整该过程中的pH值，这大大降低了操作成本。

Under the of Yuan Quan, the team of Cao the core of high- PTFE fiber in 2012, which was to the and pilot of gas deCO2. This in the of high is in the field of PTFE fiber .