環境材料在國外水處理過程中的研發及應用概覽

北極星水處理網訊:環保產業作為多學科交叉領域，其發展離不開其他基礎產業的進步，其中新型材料的應用在推動水處理技術的發展過程中起到至關重要的作用。最典型的例子莫過於分離材料的創新所帶來的突破，膜技術在汙水處理、海水淡化、工業分離等多個領域有著廣泛的應用，且隨著膜材料的不斷改良，持續推動工藝的改進和成本的降低。另外，近十年來納米技術不斷突破，納米材料在過濾、吸附、電化學等許多水處理工藝中也逐漸發揮巨大的作用，極大的提高工藝的處理效率。

以膜為代表的分離材料

膜材料作為一種分離材料，已經廣泛應用於各種固液分離、液液分離及氣液分離等水處理場景，根據分離原理包括：

1）按物質粒徑大小分離的過濾膜，主要用於膜生物反應器工藝，實現固液分離，取代二沉池；用於海水淡化工藝，截留海水中高價離子，實現脫鹽；

2）以離子選擇透過性為原理的離子交換膜，主要用於電滲析、倒極電滲析、雙極膜電滲析等工藝，實現脫鹽，應用於海水淡化和工業廢水零排放；

3）以膜兩側分壓差為驅動力的滲透氣化膜，實現有機物和水的分離，以及不同有機物間的分離等，應用於工業廢水處理。

我國水處理膜材料高端市場主要被進口膜廠商佔據，包括SUEZ、KOCH等的中空纖維膜，DOW、海德能等的納濾和反滲透膜，Astom的離子交換膜等。近十年我國國產化膜材料性能有了突飛猛進的提高，相比進口膜有著投資成本低，性價比高等優勢，正逐漸提高市場份額。但是在運行穩定性、抗汙染、膜使用壽命等方面仍待進一步提高。

美國Cerahelix開發了一種將DNA與陶瓷化學相結合的新型陶瓷過濾器。使用DNA作為模板嵌入陶瓷材料中形成小於1納米的膜孔。形成高度耐久（耐高溫和耐化學腐蝕）和抗汙染的分離膜。這些特性使其能夠在廣泛的操作條件下運行，可以用於高效且顯著降低成本的新型工藝設計中。目標市場為工業水回用、有機溶劑分離和生物基化學品和藥品濃縮。

同樣來自美國的Solecta有機膜主要針對工業過程分離而設計，系列產品為微濾膜、超濾膜、納濾膜、和反滲透膜。膜材料主要為PVDF和PES，其PES納濾膜Mg2+分子截留率高於90%，對蛋白等帶電荷有機物有很好的選擇性截留，RO膜Na+分子截留率高於96%。主要應用於工業分離及工業廢水處理分鹽工藝。

日本的Astom公司是目前全球最大的離子交換膜及雙極膜電滲析設備製造商，其開發的雙極膜電滲析裝置通過向雙極膜與陰陽離子交換膜組合的三室式雙極膜電滲析槽中加入無機鹽，兩側施加0.83V以上的水理論分解電壓後，膜內的水分解為酸 (H＋)和鹼(OH－)。陰離子透過陰離子交換膜在雙極膜上與已分裂的H離子結合後生成酸。另一方面陽離子透過陽離子交換膜在雙極膜上與已分裂的OH離子結合後生成鹼。

新型吸附材料

吸附過程在水處理領域主要用於市政及工業汙水深度處理及飲用水處理等場景。傳統吸附材料包括活性炭、沸石、無機礦物等，但普遍存在運行成本高，難以清洗，吸附效率低等問題。隨著材料科學的發展，新型吸附材料的研發，能夠有效提高吸附效率，降低運行成本，延長使用時間。

納米技術的發展極大增加吸附劑的比表面積，提高吸附速率，能夠有效去除水體中微量汙染物或金屬離子，成為吸附材料的主要發展方向之一。在納米尺度下，相比於通常尺度下納米材料通常會呈現出小尺寸效應下的特異性質。這些特性目前正在被研究用於水和汙水的處理。同時，未來石墨烯和磁性材料也將成為新型吸附材料的發展方向，用於微量汙染物和常規工藝難以去除的汙染物的處理工藝中。

美國CustoMem公司定製設計和製造生物衍生材料，用於工業水處理。CustoMem通過一種低能、低成本的生物工藝生產出了一種新型生物材料組合物，可以有選擇地捕獲農藥、藥物和高性能化學品等微汙染物。可用於工業廢水市場，製藥、化工、抗生素生產等產生微量汙染物的行業。

MetaMateria是美國專注於先進材料開發的私有公司，從2003年以來始終專注於開發獨特的，高密度納米級多孔的陶瓷材料，可以支持活性物質，如有益的細菌群落用於生物修復或製成納米級材料用於磷和金屬離子或微量化合物的去除與回收。這些產品壽命長，接觸時間短，汙染物去除率高。分層次的孔隙結構允許通過介質的高水流量。產品有不同的大小和形狀，以提供靈活的使用。

捷克GrapheneUP SE公司開發了基於石墨烯的多種新材料。包括Grafim是一種基於石墨烯的吸附技術，專門針對水和氣體處理領域。Grafim對各種難以用傳統技術處理的微汙染物和化合物具有卓越的去除效率（在PPB至PPB範圍內高效去除）。GUP是專門針對複合材料和新材料市場的功能性石墨烯，是目前正在開發的納米過濾和電氧化技術的基礎。最後Naimor是一種超疏水石墨烯材料，專門用於漏油回收和碳氫化合物的吸附，它可用於清洗溢出的油、溶劑或碳氫化合物等。

催化材料

隨著水回用市場增加及汙水排放標準更嚴格，一些傳統工藝難以去除的汙染物，使得傳統處理系統面臨巨大的壓力，而高級氧化工藝在水和汙水處理工藝中迎來了新的機遇。高級氧化工藝包括許多類型，基本原理是在特定條件下生成自由基強氧化劑，快速分解水體中難降解有機物。但是傳統高級氧化工藝自由基產生速率較慢，因此二氧化鈦等催化劑引起了人們的興趣，用於提高自由基的產生效率，降低運行成本。

加拿大初創公司H2nanO的高級氧化技術採用表面塗有TiO2的納米顆粒作為催化劑，在太陽光UV的照射下，H2O在三相界面生成自由基，迅速將水體中難降解汙染物氧化。在工業廢水和尾礦池成功試點。該系統處理效率高，易於整合到其他處理系統中，從而能夠改進現有有機汙染物的處理工藝。

可以預見的是，未來材料科學仍會極大推動水處理工藝的創新和發展。

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