目前主流的水處理技術(shù)一般由多工序組成，原因是水中污染物的特異性需要通過(guò)不同的手段來(lái)去除?？茖W(xué)家們一直在尋找更加簡(jiǎn)便的處理工藝。最近來(lái)自北京大學(xué)與耶魯大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在這方面取得了重大進(jìn)展——他們受到海洋生物?？膯l(fā)，研發(fā)了一種一步式污水深度處理技術(shù)。

　　絮凝技術(shù)的瓶頸

　　絮凝是應(yīng)用最早的水處理技術(shù)之一。據(jù)說(shuō)早在公元前1500年，古埃及人首先開(kāi)始使用絮凝這種方法去除水中的顆粒雜質(zhì)；而在公元1637年，中國(guó)的《天工開(kāi)物》一書(shū)中就有了關(guān)于明礬制造和使用方法的記錄。一般來(lái)說(shuō)，絮凝主要用絮凝劑（例如氯化鐵）去除懸浮物和膠體類物質(zhì)，具有應(yīng)用廣泛、操作簡(jiǎn)便、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較高的小分子溶解性物質(zhì)去除效果甚微。如今水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，僅僅使用傳統(tǒng)的絮凝工藝顯然不能滿足要求。

　　隨著對(duì)化學(xué)處理認(rèn)識(shí)的加深，人們重新開(kāi)始探討絮凝作為污水深度處理工藝的可能性，其關(guān)鍵取決于在小分子物質(zhì)從小尺度轉(zhuǎn)變到大尺度絮體的過(guò)程中能否形成介尺度凝聚核，換言之如何通過(guò)分子設(shè)計(jì)誘發(fā)小分子相間傳質(zhì)形成凝聚核，是絮凝劑研究領(lǐng)域遇到的最大挑戰(zhàn)。

　　北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院趙華章教授團(tuán)隊(duì)與耶魯大學(xué)Menachem Elimelech教授團(tuán)隊(duì)設(shè)想研發(fā)一種可以同時(shí)去除離子和有機(jī)物的新型絮凝劑。然而，他們?cè)诓牧涎邪l(fā)初期遇到了困難。要這種材料既可以吸收并儲(chǔ)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?yàn)橐屝跄东@小分子，需要絮凝劑長(zhǎng)有觸手一樣的官能團(tuán)，在絮凝形成絮體沉降的同時(shí)牢牢抓住小分子并攜帶進(jìn)入沉淀，但官能團(tuán)的引入又極易導(dǎo)致絮凝劑組分之間膠凝、沉淀，失穩(wěn)，使得絮凝效果大大降低。

　　?？膯l(fā)

　　“?？@種海洋捕食者的一些身體特征和行為習(xí)慣啟發(fā)了我們”。趙華章教授接受國(guó)外媒體采訪時(shí)解釋道。?？麑W(xué)名Actinia，英文俗稱sea anemones。?？男巫児δ芎筒妒程匦院苡刑攸c(diǎn)：它們?cè)谛菹⒌臅r(shí)候會(huì)蜷縮成一個(gè)小球，觸手被包裹在身體內(nèi)部；而在捕食的時(shí)候，它們則會(huì)將自己的身體外翻、擴(kuò)張，觸手暴露在外捕獲食物。如果能夠模仿海葵的結(jié)構(gòu)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(guò)程中的的穩(wěn)定性，又能實(shí)現(xiàn)絮凝過(guò)程中對(duì)小分子污染物的抓捕。

研究團(tuán)隊(duì)因此從仿生學(xué)入手，利用油脂有機(jī)基團(tuán)和極性無(wú)機(jī)硅酸鋁的復(fù)合物做成核殼結(jié)構(gòu)的納米顆粒，成功復(fù)制了?？臉?gòu)造來(lái)模仿其行為：在低于4的pH下，這些顆粒是處于閉合態(tài)，但在較高的pH環(huán)境下（例如在污水中），水會(huì)包圍硅酸鋁復(fù)合物，顆粒被翻開(kāi)并露出它們觸須狀的有機(jī)內(nèi)核。

圖.這種受?？麊l(fā)的納米粒子的碳核結(jié)構(gòu)（C 青色，H 白色，N 藍(lán)色，Si 黃色，O 紅色，Al 粉紅色）
　　這種設(shè)計(jì)使得該絮凝劑在使用前呈核殼膠束結(jié)構(gòu)存在于水中，解決了多數(shù)絮凝劑在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中易失穩(wěn)的難題。而在使用的時(shí)候，由鋁硅復(fù)合物組成的“殼”會(huì)水解相變，像普通絮凝劑那樣去除懸浮物和膠體；由有機(jī)官能團(tuán)組成的“核”外翻并環(huán)繞固定于“殼”上，像?？挠|手捕捉水中小分子。通過(guò)上述智能過(guò)程，新型絮凝劑可實(shí)現(xiàn)在單個(gè)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(cè)試結(jié)果

　　研究團(tuán)隊(duì)把這種新型絮凝劑稱為仿海葵膠束納米絮凝劑（Actinia-likemicellar nanocoagulant），簡(jiǎn)稱AMC。他們采用了某市政污水處理廠的二級(jí)處理出水作為測(cè)試對(duì)象來(lái)檢驗(yàn)AMC的處理效果，并和三種傳統(tǒng)絮凝劑做對(duì)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(duì)比結(jié)果:這三種絮凝劑的濁度、溶解有機(jī)碳(DOC)和總磷的去除率分別為87–98%、30–54%和8–68%（與其他文獻(xiàn)的測(cè)試結(jié)果吻合）。AMC在濁度方面的表現(xiàn)與前三者類似(>90%)，而對(duì)DOC、總磷和硝酸鹽的去除率均超過(guò)90%。與工業(yè)級(jí)別的絮凝劑相比，這是一個(gè)重大改進(jìn)。AMC對(duì)硝酸鹽的去除表現(xiàn)是一大亮點(diǎn)，因?yàn)檫@是一般傳統(tǒng)絮凝劑做不到的。

圖. AMC與傳統(tǒng)絮凝劑的去除效果對(duì)比
　　接著他們還研究了AMC去除有機(jī)微污染物、殘留藥物等新興持久性污染物的能力。污水樣品中這些微污染物的濃度以納克(PPB)至皮克(PPT)的數(shù)量級(jí)計(jì)算。通過(guò)常規(guī)凝結(jié)劑觀察到的微污染物的去除效率為0-60％，這與先前的報(bào)道一致。在他們的實(shí)驗(yàn)里，三種傳統(tǒng)絮凝劑對(duì)此的去除率在0-60%間，這與污染物電荷和疏水性的差異有關(guān)，但是AMC對(duì)于所有微污染物的去除率均超過(guò)90%。

　　研究團(tuán)隊(duì)還是使用了超高分辨率的傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜分析（FT-ICRMS），以求在分子層面鑒定AMC去除溶解性有機(jī)物的情況。他們發(fā)現(xiàn)原水中溶解的有機(jī)成分主要含有CHO，CHON，CHOS和CHONS。分析結(jié)果如下圖所示，AMC處理后的出水的溶解性有機(jī)物濃度很低，這反映了AMC對(duì)這些污染物的去除能力。

圖. 各種絮凝劑對(duì)溶解性有機(jī)物的去除情況

圖. 廣譜去除水中污染物的仿?？{米絮凝劑(頂部)及其在溶液中的能量色散X射線(EDX)結(jié)構(gòu)分布圖| 圖片版權(quán)：H Zhao
　　應(yīng)用前景

　　美國(guó)萊斯大學(xué)的水處理技術(shù)專家李琪琳教授認(rèn)為這個(gè)研究在去除大分子有機(jī)化合物和小分子離子污染物的能力特別有吸引力。她表示，傳統(tǒng)的水與污水處理技術(shù)已經(jīng)有一個(gè)世紀(jì)的歷史了，如今我們需要納米絮凝劑這樣的創(chuàng)新方法。

北京大學(xué)趙華章教授則表示這種納米絮凝劑其實(shí)仍處在早期研發(fā)階段。他表示對(duì)于未來(lái)的應(yīng)用，他們需要進(jìn)一步的試驗(yàn)，以驗(yàn)證其可行性，并優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)和條件。

　　聯(lián)合團(tuán)隊(duì)美方代表耶魯大學(xué)的Menachem Elimelech教授則說(shuō)：“這種納米絮凝劑去除硝酸鹽的能力非常驚人，因?yàn)閭鹘y(tǒng)混凝劑對(duì)硝酸鹽的去除功能幾乎可以忽略。而硝酸鹽是水凈化工藝的關(guān)鍵考核指標(biāo)，因?yàn)橄跛猁}污染會(huì)影響人們健康，例如藍(lán)眼睛嬰兒綜合征（先天性心臟缺陷）就與硝酸鹽有關(guān)，前者是一種潛在的致命疾病，在世界一些地區(qū)影響年幼兒童健康成長(zhǎng)?！?/p>

　　目前絮凝劑一般作為微濾/超濾、活性炭吸附和高級(jí)氧化(AOP)等深度水處理的預(yù)處理工序。但這些工藝有各自的問(wèn)題，例如AOP會(huì)生成一些有毒副產(chǎn)物，而活性炭吸附對(duì)一些親水性有機(jī)物的去除效果并不理想，而且它們都很難對(duì)付那些溶解性有機(jī)污染物。雖然目前通過(guò)納濾和反滲透技術(shù)能解決這些問(wèn)題，但這些工藝過(guò)程太長(zhǎng)而且運(yùn)行復(fù)雜。

這次中美聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)研制的仿海葵納米絮凝劑，使“古老”的絮凝技術(shù)重新煥發(fā)青春，而且一步式操作簡(jiǎn)化深度處理的工藝，在降低成本、水資源高效利用具有較大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

　　參考資料

·　　https://cese.pku.edu.cn/xwzx/87487.htm

·　　https://www.sciencedaily.com/releases/2018/11/181126142856.htm

·　　https://www.nature.com/articles/s41565-018-0307-8

·　　https://cleantechnica.com/2018/11/27/advances-in-clean-water-technology-from-researchers-in-china-germany-the-us/

·　　https://canadianhomesteading.ca/science/sea-creature-inspired-scientists-to-develop-an-effective-water-treatment/7486

·　　https://physicsworld.com/a/biomimetic-coagulant-makes-water-safe-to-drink/

·　　https://www.lenntech.com/history-water-treatment.htm