網狀分子顯威力，還潔凈于水世界

梁偲

本文圍繞2018年上海市技術發明一等獎項目

——“功能化三維聚合物類水處理藥劑的創新設計與工程應用”展開，

該獎項由同濟大學李風亭教授領銜的團隊獲得。

1950年，在日本水俁灣附近的小漁村中發現大批精神失常而自殺的貓和狗；之后水俁鎮又出現了怪病人，開始時步態不穩、面部呆癡，進而耳聾眼瞎、全身麻木，最后精神失常，高叫而死。調查后發現這些人和貓、狗是因為吃了毒魚而發病，而當地化肥廠是罪魁禍首，他們把大量有機汞廢水排入了水俁灣，這就是著名的“水俁病事件”。

人們自古逐水而居，然而，工業文明卻給自然環境帶來了無法治愈的傷害，首當其沖的就是人類賴以生存的水資源。在我國，2/3以上的河流受到不同程度的污染，兒童血鉛超標、癌癥村等事件的頻繁出現。世界衛生組織調查報告曾指出，人類80%的疾病與飲用水水質不良有關。

太湖水污染事件：2007年5月底，江蘇省無錫市城區市民家中自來水水質突然發生變化，并伴有難聞的氣味。調查發現，造成水質突然變化的原因是市內的太湖水體富營養化（指水體中氮、磷等營養鹽含量過多而引起的污染）較嚴重，引起藍藻暴發，嚴重影響水質

事實上，我們生活中使用量最大的自來水在燒開后只能殺死細菌和病毒，卻無法去除污水里的有毒有機物和鎘、鉛、砷等重金屬離子。但是，你能想象嗎，就算是在今天，工廠里的廢水、城市居民生活污水最后仍將排放到江河湖泊中，成為下游城市的飲用水源。這就要求污水和廢水在排放到江河湖泊之前，必須采取各種方法去除水里的污染物，將風險降到最低。

想知道如何把這些看起來充滿惡臭的水處理成凈水嗎？先來了解一下水處理的方法。

一般的水處理方法

水處理的方法主要有兩大類，一類是生物處理；另一類是物理化學處理。生物處理主要依靠微生物細菌來降解水體中的有機物，但是——對于水體里面的有毒物質，如重金屬、難降解的有機物等，通常難以用生物處理方法，這時就需要用物理化學處理的方法。

物理化學處理方法既可通過物理作用分離，如過濾、沉淀、上浮、離心分離等；也可利用化學反應進行轉化，如水的PH值調節、混凝、化學沉淀等；還可利用物理化學作用去除污染物，如離子交換、膜分離、電化學等。

一般的水處理工藝流程分為三級：一級處理是物理機械處理，主要是去除粗大顆粒和懸浮物，即通過物理方法實現固液分離；二級處理是生物處理，以去除不可沉懸浮物和溶解性可生物降解有機物；三級處理采用物理化學方法進行深度處理，如進行脫氮、脫磷處理，用活性炭吸附等方法去除污染物，并進行消毒滅菌，然后排放或重新回用。

當然，飲用水處理要求更嚴格，可能還有更多的流程，如除鐵、除錳、除氟、軟化、淡化等，以滿足國家的《生活飲用水衛生標準》，包括微生物指標、毒理指標、化學指標等。

我國水處理技術經過多年的發展，從循環冷卻水的處理發展到污水綜合處理，從物理處理發展到物理、化學、生物綜合處理，為水資源的安全、合理應用提供了技術保證，在節能減排、環境保護、用水安全中發揮了巨大的作用。

高效的凈水劑是核心

進行水處理，凈水劑（或水處理劑）是核心。凈水劑是絮凝劑、阻垢劑、緩蝕劑、殺菌劑等一大類化工產品的總稱，廣泛用于電力、醫藥、化工等污水處理行業，目的是去除懸浮物、殺菌除臭、軟化水質、穩定水質等。

高效的凈水劑一直是科學家追求的目標，去除有毒物質又是其中需要重點攻克的難題。然而，目前去除有毒物質的凈水劑大多是線型的，它的缺點是易發生卷曲，吸附水體中污染物的效率不高。由此，研發人員都在思考，能否跳出傳統凈水劑的結構局限，引入三維空間聚合物，從而解決吸附效率低、發生卷曲等問題。

其中，同濟大學環境科學與工程學院的李風亭教授團隊就是一支重要的研究力量。李風亭是聯合國環境署-同濟大學可持續發展學院的副院長，他還擔任聯合國環境署-中國科技部非洲水行動專家組組長。李風亭團隊在水資源管理和水處理領域長期深耕，很多水處理化學品成果已經在全球各地得到使用，而獲得了2018年上海市技術發明一等獎的“三維聚合物水處理藥劑”只是課題組眾多應用成果中的一項，這項研究成果目前已轉讓50多家企業，引領了產業升級及技術創新。

線型到立體的突破

就像我們用魚鉤釣魚的效率不及用網來捕魚一樣，如果能夠實現常用的凈水劑在分離水體中污染物時，從線型結構到網狀結構的變化，那么污染物的分離效率會大幅度提升。

基于上述想法，李風亭將線型凈水劑分子通過交聯的方式，制備成了三維網狀結構的凈水劑。這些網狀結構可以是樹枝狀的聚合物，也可以是球型結構的聚合物，它們通常不會像線型結構那樣發生自纏繞卷曲和沉積現象。

立體樹枝狀聚合物的形成過程

難降解有機物去除示意圖

不同的凈水劑：左側三維樹枝狀聚合物已廣泛用于重金屬廢水和垃圾飛灰的穩定處理；中間交聯型生物可降解聚環氧琥珀酸用于循環冷卻水污垢的分散；右側的復合鐵鹽混凝劑已廣泛用于鋼鐵、市政等污水處理

在立體聚合物表面接上不同的官能團，就可以賦予凈水劑不同的性質，從而有針對性地捕捉不同的污染物，達到凈水的目標。例如，去除難降解有機物：當立體聚合物表面為銨離子時，可以有效吸附多數難降解污染物，如氰、酚致癌物，多環芳烴等，達到網捕和分離作用。再如，捕捉重金屬：當立體聚合物表面為硫代羧酸鹽時，它對于重金屬的絡合性遠遠超過常用重金屬捕捉劑，可使重金屬指標控制在國家標準的1/10甚至是1/100；沉積的重金屬通過熔融冶煉回收，又實現了重復利用。

團隊針對生物方法難以處理的難降解有機物、重金屬廢水和水垢等難題，研發了不同的立體聚合物凈水劑，大大提高了水處理效率。

為“一帶一路”做出重要貢獻

立體網狀聚合物凈水劑目前已經在工業污水、循環水和飲用水處理中得到廣泛應用，如利用交聯的聚氯化鋁用于冬季飲用水預處理，可降低凈水劑使用量的40%以上，處理后完全達到國家飲用水標準，這一技術在上海、浙江、江蘇等多個省市的自來水企業得到廣泛的應用。

這些三維水處理劑還推廣到了韓國、意大利、烏克蘭、英國、肯尼亞等40多個國家。作為科技部應對氣候變化的技術之一，曾在坎昆全球氣候變化締約國會議和非洲環境部長會議期間發布，為“一帶一路”沿線國家和非洲安全供水、水資源保護、民生保障等做出了重要貢獻。

在非洲，水處理最關鍵的指標是微生物，如果微生物不達標就會暴發各種傳染病，因此飲用水的消毒處理十分嚴格。第二個指標就是濁度，在這里，由于森林受到砍伐，因此每當雨季，河流水就會變得十分渾濁，這對于水資源本身就比較匱乏的非洲無異于雪上加霜。用常規的硫酸鋁+石灰的處理方法效果并不理想，濁度仍然很高，即飲用水用肉眼就能看到渾濁；而用歐美企業的水處理劑進行處理，成本通常都很高。

在科技部中非環境合作項目的資助下，李風亭課題組開始對非洲水資源和水環境展開研究。從2005年開始，李風亭先后60多次來到非洲，足跡遍布肯尼亞、坦桑尼亞、埃塞俄比亞、摩洛哥等等。在肯尼亞首都內羅畢，其最大的自來水廠每天處理飲用水50萬立方米。李風亭教授連技術帶人一起到此展開研究，通過提供高效的水處理劑，解決了雨季難處理高濁度水的難題，大大提高了供水水質，且處理工藝簡單，成本大大降低。

2012年在李風亭（左一）內羅畢水廠進行技術指導

李風亭教授還在非洲開展了安全供水示范工程和污水處理示范工程，致力于讓更多的人喝上安全、干凈的水。2013年，聯合國授予李風亭教授“聯合國南南合作特別貢獻獎”，以表彰他在南南水環境合作方面的特殊貢獻。而這些貢獻，幾乎付出了生命的代價。每次旅非考察，自然條件惡劣，車在盤山公路上爆胎拋錨時，貓科動物的出沒讓人膽戰心驚；有一次在摩洛哥，被蚊蟲叮咬后李風亭身體出現極度不適，臨時下飛機后獨自一人在卡薩布蘭卡機場的長椅上躺了兩個小時才緩過來，他當時以為自己回不了祖國了。后來回國就醫，兩個多月后才逐漸恢復。

李風亭說：“在繼續推進國家之間全面合作以及水處理方面，我們還有很長的一段路要走。以前，凈水劑做得較好的都是國外的跨國企業，如凱米拉、威立雅、愛森等，他們的凈水劑處理效果好，針對不同污染物的凈水劑品種也多，很多行業都使用他們的產品。但是，我國目前正在逐漸追趕上來，已經成為生產能力最強的國家，一些國外企業也會購買我們的產品。不過，我國在有機水處理劑的品種數量方面還存在差距，未來我們需要更多地參與國際合作，引領國際前沿?！?/p>

論文寫在祖國的大地上，研究成果只有轉化才能產生價值。李風亭教授也一直是這樣做的，其團隊目前已與50多家企業合作，產品覆蓋5 000多家污水處理廠，其中鐵鹽凈水劑的國內市場覆蓋率超過了50%。除了成果產業化，李教授還主持了多項凈水劑標準的制定，目前已形成27項國家標準和21項行業標準，獲得中國發明專利62項，美國專利4項。

隨著新型網狀納米結構聚合物研究的深入，圍繞水處理和環境保護，李風亭團隊又將其研究和成果不斷向水處理流程的后端延伸，他們希望通過科技創新對水處理的閉環流程提供更多的支撐，持續為上海的生態環境改善貢獻力量。

水凈化是一個永恒的課題

水的處理過程是一個涉及到氣體-固體-液體的三相系統，不僅覆蓋地球表面的各種元素，同時涉及化學、物理和生物的多種反應。無論是飲用水還是各種污水的處理，制約因素主要在于材料和能耗，因此能夠提升處理效率的材料和技術，如納米材料吸附、新型膜材料和膜分離技術、高效降級污染物的優勢菌種篩選和優化、以有機污染物作為基礎物質的燃料電池能源回收技術等等，都是未來水處理的新方法，對于這一行業將起到極大的推動作用。

此外，融入綠色化學理念的凈水劑也是未來全球水處理的發展方向，即從原料選擇、生產過程到未端廢棄環節的全產業鏈過程都考慮對生態環境的影響，開發無污染、易降解、低成本的綠色凈水劑。

發展、污染、治理、最終回歸潔凈——人與水資源之間這樣不斷碰撞，磨合，直至和諧的關系，這是人類在工業發展進程中的必經之路。良好的水環境生態和安全的飲用水，是全人類的共同追求。即使在今天，我們安全的飲用水中，仍然含有大量的納米級顆粒物和不同的溶解性礦物質，重視對水源的保護才是關鍵。隨著生活水平的提升，我們對于飲用水和水環境將不斷提出更高的要求，因此，水的凈化將是一個永恒的課題！