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环境材料在国外水处理过程中的研发及应用概览

环保产业作为多学科交叉领域,其发展离不开其他基础产业的进步,其中新型材料的应用在推动水处理技术的发展过程中起到至关重要的作用。最典型的例子莫过于分离材料的创新所带来的突破,膜技术在污水处理、海水淡化、工业分离等多个领域有着广泛的应用,且随着膜材料的不断改良,持续推动工艺的改进和成本的降低。另外,近十年来纳米技术不断突破,纳米材料在过滤、吸附、电化学等许多水处理工艺中也逐渐发挥巨大的作用,极大的提高工艺的处理效率。


以膜为代表的分离材料


膜材料作为一种分离材料,已经广泛应用于各种固液分离、液液分离及气液分离等水处理场景,根据分离原理包括:


1)按物质粒径大小分离的过滤膜,主要用于膜生物反应器工艺,实现固液分离,取代二沉池;用于海水淡化工艺,截留海水中高价离子,实现脱盐;


2)以离子选择透过性为原理的离子交换膜,主要用于电渗析、倒极电渗析、双极膜电渗析等工艺,实现脱盐,应用于海水淡化和工业废水零排放;


3)以膜两侧分压差为驱动力的渗透气化膜,实现有机物和水的分离,以及不同有机物间的分离等,应用于工业废水处理。


我国水处理膜材料高端市场主要被进口膜厂商占据,包括SUEZ、KOCH等的中空纤维膜,DOW、海德能等的纳滤和反渗透膜,Astom的离子交换膜等。近十年我国国产化膜材料性能有了突飞猛进的提高,相比进口膜有着投资成本低,性价比高等优势,正逐渐提高市场份额。但是在运行稳定性、抗污染、膜使用寿命等方面仍待进一步提高。


美国Cerahelix开发了一种将DNA与陶瓷化学相结合的新型陶瓷过滤器。使用DNA作为模板嵌入陶瓷材料中形成小于1纳米的膜孔。形成高度耐久(耐高温和耐化学腐蚀)和抗污染的分离膜。这些特性使其能够在广泛的操作条件下运行,可以用于高效且显著降低成本的新型工艺设计中。目标市场为工业水回用、有机溶剂分离和生物基化学品和药品浓缩。


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同样来自美国的Solecta有机膜主要针对工业过程分离而设计,系列产品为微滤膜、超滤膜、纳滤膜、和反渗透膜。膜材料主要为PVDF和PES,其PES纳滤膜Mg2+分子截留率高于90%,对蛋白等带电荷有机物有很好的选择性截留,RO膜Na+分子截留率高於96%。主要应用于工业分离及工业废水处理分盐工艺。


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日本的Astom公司是目前全球最大的离子交换膜及双极膜电渗析设备制造商,其开发的双极膜电渗析装置通过向双极膜与阴阳离子交换膜组合的三室式双极膜电渗析槽中加入无机盐,两侧施加0.83V以上的水理论分解电压后,膜内的水分解为酸 (H+)和碱(OH-)。阴离子透过阴离子交换膜在双极膜上与已分裂的H离子结合后生成酸。另一方面阳离子透过阳离子交换膜在双极膜上与已分裂的OH离子结合后生成碱。


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新型吸附材料


吸附过程在水处理领域主要用于市政及工业污水深度处理及饮用水处理等场景。传统吸附材料包括活性炭、沸石、无机矿物等,但普遍存在运行成本高,难以清洗,吸附效率低等问题。随着材料科学的发展,新型吸附材料的研发,能够有效提高吸附效率,降低运行成本,延长使用时间。


纳米技术的发展极大增加吸附剂的比表面积,提高吸附速率,能够有效去除水体中微量污染物或金属离子,成为吸附材料的主要发展方向之一。在纳米尺度下,相比于通常尺度下纳米材料通常会呈现出小尺寸效应下的特异性质。这些特性目前正在被研究用于水和污水的处理。同时,未来石墨烯和磁性材料也将成为新型吸附材料的发展方向,用于微量污染物和常规工艺难以去除的污染物的处理工艺中。


美国CustoMem公司定制设计和制造生物衍生材料,用于工业水处理。CustoMem通过一种低能、低成本的生物工艺生产出了一种新型生物材料组合物,可以有选择地捕获农药、药物和高性能化学品等微污染物。可用于工业废水市场,制药、化工、抗生素生产等产生微量污染物的行业。


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MetaMateria是美国专注于先进材料开发的私有公司,从2003年以来始终专注于开发独特的,高密度纳米级多孔的陶瓷材料,可以支持活性物质,如有益的细菌群落用于生物修复或制成纳米级材料用于磷和金属离子或微量化合物的去除与回收。这些产品寿命长,接触时间短,污染物去除率高。分层次的孔隙结构允许通过介质的高水流量。产品有不同的大小和形状,以提供灵活的使用。


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捷克GrapheneUP SE公司开发了基于石墨烯的多种新材料。包括Grafim是一种基于石墨烯的吸附技术,专门针对水和气体处理领域。Grafim对各种难以用传统技术处理的微污染物和化合物具有卓越的去除效率(在PPB至PPB范围内高效去除)。GUP是专门针对复合材料和新材料市场的功能性石墨烯,是目前正在开发的纳米过滤和电氧化技术的基础。最后Naimor是一种超疏水石墨烯材料,专门用于漏油回收和碳氢化合物的吸附,它可用于清洗溢出的油、溶剂或碳氢化合物等。


催化材料


随着水回用市场增加及污水排放标准更严格,一些传统工艺难以去除的污染物,使得传统处理系统面临巨大的压力,而高级氧化工艺在水和污水处理工艺中迎来了新的机遇。高级氧化工艺包括许多类型,基本原理是在特定条件下生成自由基强氧化剂,快速分解水体中难降解有机物。但是传统高级氧化工艺自由基产生速率较慢,因此二氧化钛等催化剂引起了人们的兴趣,用于提高自由基的产生效率,降低运行成本。


加拿大初创公司H2nanO的高级氧化技术采用表面涂有TiO2的纳米颗粒作为催化剂,在太阳光UV的照射下,H2O在三相界面生成自由基,迅速将水体中难降解污染物氧化。在工业废水和尾矿池成功试点。该系统处理效率高,易于整合到其他处理系统中,从而能够改进现有有机污染物的处理工艺。


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可以预见的是,未来材料科学仍会极大推动水处理工艺的创新和发展。



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本文作者2020-1-16 15:25
admin
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