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科學家研發仿生學納米絮凝劑-污水處理新突破

時間:2019-05-30 21:13:36 來源:IWA國際水協會 作者:

目前主流的水處理技術一般由多工序組成,原因是水中污染物的特異性需要通過不同的手段來去除。科學家們一直在尋找更加簡便的處理工藝。最近來自北京大學與耶魯大學的聯合團隊在這方面取得了重大進展他們受到海洋生物海葵的啟發,研發了一種一步式污水深度處理技術。

絮凝技術的瓶頸

絮凝是應用最早的水處理技術之一。據說早在公元前1500年,古埃及人首先開始使用絮凝這種方法去除水中的顆粒雜質;而在公元1637年,中國的《天工開物》一書中就有了關于明礬制造和使用方法的記錄。一般來說,絮凝主要用絮凝劑(例如氯化鐵)去除懸浮物和膠體類物質,具有應用廣泛、操作簡便、成本低廉的優點,但對于環境風險較高的小分子溶解性物質去除效果甚微。如今水質標準日益嚴格,僅僅使用傳統的絮凝工藝顯然不能滿足要求。

隨著對化學處理認識的加深,人們重新開始探討絮凝作為污水深度處理工藝的可能性,其關鍵取決于在小分子物質從小尺度轉變到大尺度絮體的過程中能否形成介尺度凝聚核,換言之如何通過分子設計誘發小分子相間傳質形成凝聚核,是絮凝劑研究領域遇到的最大挑戰。

北京大學環境科學與工程學院趙華章教授團隊與耶魯大學Menachem Elimelech教授團隊設想研發一種可以同時去除離子和有機物的新型絮凝劑。然而,他們在材料研發初期遇到了困難。要這種材料既可以吸收并儲存溶解性化合物,還能防止沉淀和形成凝膠,并不是一件容易的事情。因為要讓絮凝捕獲小分子,需要絮凝劑長有觸手一樣的官能團,在絮凝形成絮體沉降的同時牢牢抓住小分子并攜帶進入沉淀,但官能團的引入又極易導致絮凝劑組分之間膠凝、沉淀,失穩,使得絮凝效果大大降低。

海葵的啟發

“海葵這種海洋捕食者的一些身體特征和行為習慣啟發了我們”。趙華章教授接受國外媒體采訪時解釋道。海葵學名Actinia,英文俗稱sea anemones。海葵的形變功能和捕食特性很有特點:它們在休息的時候會蜷縮成一個小球,觸手被包裹在身體內部;而在捕食的時候,它們則會將自己的身體外翻、擴張,觸手暴露在外捕獲食物。如果能夠模仿海葵的結構和捕食特征,制備智能化納米絮凝劑,則既能保證其在保存過程中的的穩定性,又能實現絮凝過程中對小分子污染物的抓捕。

研究團隊因此從仿生學入手,利用油脂有機基團和極性無機硅酸鋁的復合物做成核殼結構的納米顆粒,成功復制了海葵的構造來模仿其行為:在低于4的pH下,這些顆粒是處于閉合態,但在較高的pH環境下(例如在污水中),水會包圍硅酸鋁復合物,顆粒被翻開并露出它們觸須狀的有機內核。

圖.這種受海葵啟發的納米粒子的碳核結構(C 青色,H 白色,N 藍色,Si 黃色,O 紅色,Al 粉紅色)

這種設計使得該絮凝劑在使用前呈核殼膠束結構存在于水中,解決了多數絮凝劑在儲運過程中易失穩的難題。而在使用的時候,由鋁硅復合物組成的“殼”會水解相變,像普通絮凝劑那樣去除懸浮物和膠體;由有機官能團組成的“核”外翻并環繞固定于“殼”上,像海葵的觸手捕捉水中小分子。通過上述智能過程,新型絮凝劑可實現在單個處理步驟里就能去除包括微污染物和其他較大顆粒的污染物。

圖.絮凝劑的酸堿控制示意圖

測試結果

研究團隊把這種新型絮凝劑稱為仿海葵膠束納米絮凝劑(Actinia-likemicellar nanocoagulant),簡稱AMC。他們采用了某市政污水處理廠的二級處理出水作為測試對象來檢驗AMC的處理效果,并和三種傳統絮凝劑做對比,包括硫酸鋁、氯化鐵和聚二烯丙基二甲基氯化銨(polyDADMAC)。下圖是對比結果:這三種絮凝劑的濁度、溶解有機碳(DOC)和總磷的去除率分別為8798%、3054%和868%(與其他文獻的測試結果吻合)。AMC在濁度方面的表現與前三者類似(>90%),而對DOC、總磷和硝酸鹽的去除率均超過90%。與工業級別的絮凝劑相比,這是一個重大改進。AMC對硝酸鹽的去除表現是一大亮點,因為這是一般傳統絮凝劑做不到的。

圖. AMC與傳統絮凝劑的去除效果對比

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