即将过去的2018年，水处理领域出现了不少新奇的科技，每一次创新，或许在不久的将来都能为我们的生产与生活带来难以想象的改变。今天，小编就来盘点一下2018年本号发布的几项创新科技。
1、“三明治”纳米复合物问世，可同时移除废水及土壤中的铬和镉
中国科学院合肥物质科学研究院技术生物与农业工程研究所研究员吴正岩课题组在重金属污染修复方面取得新进展，该工作为同时移除水体和土壤中的六价铬（Cr(VI)）和二价镉（Cd(II)）提供一种新思路，具有较好的应用前景。相关成果已被美国化学会材料期刊ACS Applied Materials & Interfaces 接收发表（DOI: 10.1021/acsami.8b03379）。
随着工业的快速发展，大量重金属进入环境中，易通过食物链进入人体，对生态系统和人类造成严重危害。其中，Cr(VI)和Cd(II)是两种常见的共存重金属离子，具有较高的协同毒性。现有方法主要关注Cr(VI)或Cd(II)的单独去除，限制了这些方法的实际应用，迫切需要发展同时去除的方法。
课题组分别将硫化亚铁和功能化四氧化三铁沉积在棉布上，经面对面组合，制备出“三明治”纳米复合物。该系统可同时移除水体或土壤中的Cr(VI)和Cd(II)。该复合物易弯曲、易回收，对于修复Cr(VI)和Cd(II)复合污染的水体和土壤具有较高的应用前景。
该工作得到中科院青促会项目、中科院STS项目、安徽省重大专项、安徽省环保项目等资助。
技术原理图
2、三维石墨烯管治污神器，光照两周污水变清
中科院上海硅酸盐研究所首席研究员黄富强带领的团队近日成功研发出治污新材料，光照2周内，可明显改善水质，帮助污水变清。相关成果今年初获“国家自然科学奖”二等奖，现已在上海、安徽、江苏等地成功示范。
黄富强介绍，新材料由三维石墨烯管和黑色二氧化钛混合而成，其原理是“物理吸附+光化学催化降解”。三维石墨烯管负责牢牢“抓住”有毒有机物，黑色二氧化钛作为光催化剂，可吸收高达95%的全太阳光谱，把有毒有机物降解为二氧化碳和水。
左图：在中科院上海硅酸盐研究所实验室内，课题组研究人员将治污新材料倒入富含大量油污的污水量杯，开始吸附效果时长测试。
右图：吸附效果测试结果显示，3分4秒后，量杯中的污水由明黄色变清澈，刺激气味随之消失。中科院上海硅酸盐研究所首席研究员黄富强带领的团队近日成功研发出治污新材料，光照2周内，可明显改善水质，帮助污水变清。
过去一个月，团队在上海、安徽、江苏等地共铺设新材料光降解吸附网3000多张，覆盖水域近4万平方米。
在上海天山公园和中山公园，周围居民反映，湖底淤泥深厚，气味腥臭，湖面常有死鱼漂浮。将涂覆有新材料的光降解吸附网铺在湖面后，不动水底淤泥，吸附网就能将有机物分解为二氧化碳和水，进而提高水体含氧量，增强水体自净化和生态修复能力。上海轻工业环境保护技术研究所检测中心和江苏省环境科学研究院环境工程重点实验室的检测结果显示，治理仅7天后，化学需氧量、氨氮、总磷等代表性指标均从劣五类水改善至Ⅴ类水以上。
在安徽省合肥市肥东县，团队对定光河污染较严重的中上游河段进行了治理。肥东县环保局水环境管理科主任薛铁成说，定光河是典型的复合污染河道，这次治理后，各项水质指标提升60%以上。
据介绍，新材料还可降解印染废水、制革废水等工业污水，高效吸附其中有毒重金属，添加1克多孔新材料可吸附1.476克铅离子，简单酸化处理后，可被加工成高附加值材料。目前该成果已走出实验室，实现规模化制备，获得发明专利50多项。
3、中科院研发出“磁性两面神微球”，微小油滴分离效率高达99%
中国科学院理化技术研究所研发出“磁性两面神微球”，只需两分钟左右就可分离出水中的微小油滴，分离效率高达99%。
近年来，随着工业、生活中含油废水的大量排放，以及船舶排放、海上原油泄漏事故的多发，水中油污染已成为危害人类健康及环境安全的重大问题。“磁性两面神微球”为开发新一代油水分离材料提供了新思路。
传统方法很难满足实际需求
一般来说，油在水中的存在形式根据油滴的粒径可以分为三类：油滴粒径大于150微米，称为浮油，这也是油进入水体的主要存在形式；油滴粒径在20—150微米之间，称为分散油；油滴粒径小于20微米，称为乳化油。不管是表面活性剂稳定的油滴，还是无表面活性剂稳定的油滴，极小的乳化油以油包水或水包油的形式，悬浮于水中，非常稳定。
油水分离传统的方法包括物理法、化学法、物理化学法、电化学法和生物法等。这些方法通常是根据油水分离处理的实际情况，单独一种或几种组合使用，传统方法由于存在分离效率低、占地面积大、分离成本高、容易产生二次污染、高能耗等问题，很难满足油水分离的实际要求。
超小乳化油滴难以水油分离
“油水分离从本质上说是界面科学的问题。”王树涛研究员说，近年来，科研人员从油水分离的科学本质问题出发，从材料的浸润性上入手，利用材料表面对油和水具有不同的浸润行为，如同时具有超疏水和超亲油性质，或同时具有超亲水和超疏油性质，发展了一系列超浸润性油水分离材料，如超浸润膜、超浸润海绵等。
这些超浸润材料在分离浮油甚至是表面活性剂稳定的油水混合物方面，达到了以往方法和材料所难以实现的高效性和高选择性。然而，王树涛强调，由于油水混合物的复杂性，水中无表面活性剂稳定的微小油滴的分离往往被忽略，由于这些油滴在水中的粒径小于20微米，水油结合往往非常稳定，传统方法很难高效、快速地将油滴去除。
因此，研究和发展新型的从水中分离微小油滴的方法和材料显得尤为迫切。这也是新型油水分离材料“磁性两面神微球”问世的缘由之一。
独特结构高效抓取小油滴
“磁性两面神微球”只需两分钟左右就可分离出水中的微小油滴，分离效率高达99%，而且适用于不同比例、不同种类的油水混合物。为何能获得如此高效的清除效果？
这依赖于其独特的“抓手”结构。之所以称之为“磁性两面神微球”，是因为微球具有凸面亲水/凹面亲油的两面性质，其亲油的“抓手”能和水中的微小油滴在结构上形成很好的匹配。当把它加入到油水乳液中时，其亲油“抓手”能有效捕捉水中的微小油滴，在结构上发生互补匹配，形成雪人状结构。它还能在剧烈的晃动过程中，大幅降低油水界面张力，促使那些被捕捉到的微小油滴合并形成大油滴，从而使得油水乳液快速分层。
最后，“磁性两面神微球”在油水界面发生自组装，即紧密地排列在大油滴的表面。在外加磁场作用下，稳定结合在一起的大油滴会朝着磁场方向运动，最终实现油水分离。
4、借助陶瓷基碳纳米管复合膜，实现高盐废水零排放
大连理工大学环境学院环境污染控制工程研究室董应超教授及合作者Michael D. Guiver等人在高性能陶瓷基复合膜的设计制备及高盐废水处理方面取得重要进展。
废水零排放是解决水污染和水资源危机，实现资源回收的重要途径，是亟待解决的重要环境问题。与现有的热蒸馏和其他膜法脱盐技术相比，膜蒸馏作为一种新兴的分离技术，有望经济高效地实现高浓度含盐废水的零排放。如果能够充分利用工业余热或废热等低品位热源，膜蒸馏（MD）将极具竞争力。MD的核心是操作稳定的多孔疏水膜，然而，现有部分有机高分子聚合物膜和疏水改性无机膜的长期热稳定性和疏水性差，随之带来的膜浸润、膜污染、通量和脱盐率的衰减等问题是限制其进一步工程应用的技术瓶颈，国际上，如何开发新型膜材料，同时提高操作稳定性和膜性能，是科学家们重点研究的挑战性工程科学问题之一。
针对上述难点问题，基于团队在陶瓷膜载体制备方面的前期工作基础，研究团队另辟蹊径，创新地提出了新型结构-超疏水陶瓷基碳纳米管脱盐膜的整体概念设计和应用策略，充分利用了CNT的疏水性、耐热稳定性和导电性，以（耐热、高强度和高渗透性）多孔陶瓷膜为载体，设计并制备了一种耐热超疏水性能优异的新型结构“陶瓷-碳纳米管”复合膜。该膜具有特殊设计的膜结构、优异的操作稳定性和膜蒸馏性能，使其有望成为下一代高效分离膜。同时采取电化学辅助直接接触膜蒸馏（e-DCMD）的方法强化了膜抗有机污染（以腐殖酸为例）的能力，实现了高盐废水的高效稳定处理。
图FC-CNT膜的结构示意图和突出的性能
该工作中膜结构与应用的设计思想具有普适性，预期将适用于制备其他陶瓷或无机载体的高性能复合膜以及废水和气体处理等应用。膜载体不局限于低成本尖晶石，更适用于其他更常见的陶瓷载体，例如氧化铝、二氧化钛、莫来石和氧化锆等。减缓膜污染也不局限于腐殖酸，通过定量调控复合膜的电负性，预期也可实现减缓不同荷电特性物质的膜污染。膜应用也不局限于海水淡化和高盐废水处理，预期也适用于含有非挥发性溶质废水如重金属、大分子和胶体等各类废水体系，乃至气体净化等领域。未来的工作还将集中在利用耦合技术如膜结晶和膜法能源提取技术（压力阻尼渗透（PRO）和反向电渗析（RED）及其复合工艺），实现从高盐度废水中提取矿物盐或回收绿色渗透能。该研究的结果将为环境应用新型无机陶瓷复合膜的设计和制造提供了新思路和技术参考。
5、中科院宁波材料所利用正渗透膜研发便携式海水淡化器
对于执行特殊任务的士兵、船舶工作人员，以及户外探险爱好者等群体来说，便携、高效的应急淡水供应装备必不可缺。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋环境材料团队突破相关技术瓶颈，生产出“便携式”正渗透海水淡化膜装置，将转化效率提升至同类产品的2.5倍以上。
海水淡化即利用海水脱盐生产淡水，是缓解沿海地区与城市用水危机最重要的方法之一。预计到2020年，我国沿海地区的高用水企业的工业冷却水基本上由淡化海水供给。
世界上有十多个国家的一百多个科研机构在进行着海水淡化的研究，有数百种不同结构和不同容量的海水淡化设施在工作，在实践中被认为行之有效的方法主要有以下几类：第一类是蒸馏法，包括多级闪蒸法（MSF）、压气蒸馏法（VC）、多效蒸馏法（MED）等；第二类是膜法，包括反渗透法（RO）、电渗析法（ED）等；第三类是其他方法，如冷冻结冰法、溶剂萃取法、露点蒸发淡化技术等。
目前全球海水淡化技术中较多利用的是“反渗透”，产能占到65%。但“反渗透”是个复杂的工程，不仅占地规模大、能耗高，而且运行与维护成本高，不适宜小规模的应用与推广，难以保障突发事件中应急营养液的有效供给。
海水淡化的主要方法（图片源自：前瞻产业研究院）
宁波材料所团队研发的“便携式”海水淡化器则基于“正渗透”技术。所谓正渗透，是指水通过选择性半透膜，从低浓度溶液的一端转移到高浓度溶液的一端，而溶质被截留的过程；这是一个自发渗透过程，不需要外加压力驱动，能耗低，能够进一步降低“海淡水”成本。这项前瞻性技术，近年来备受国内外科研机构关注，但目前仍然难以见到成熟的正渗透膜及正渗透海水淡化装置与设备。
宁波材料所团队在材料研制上取得了突破。研究人员对支撑膜孔结构进行精细调控，再对其进行表面修饰，得到性能优异的正渗透膜材料：断面为互穿网络结构，膜强度高；PAA的羧基则赋予膜更强的亲水性，利于水分子的快速通过，提高水通量。
利用这一“升级版”正渗透膜，团队将其四边胶封成器件，应用于应急海水淡化领域。检测结果显示，其海水淡化效率达到在该领域领先的美国HTI（Hydration Technologies Inc）公司同类产品的2.5倍以上。
不需任何内芯，简单的清洗即可恢复膜的‘脱盐’能力，在处理高污染水体方面具有显著优势。这一便携装置用途广泛，能够为在海上与野外等特殊场所执行特殊任务的兵士、偶遇突发事件的舰艇与船舶的工作人员、面临突发自然灾害与水路污染的民众供给应急淡水，维系生命。
6、哈工大马军教授团队发现利用高铁酸盐去除水中有机污染物新方法
有机砷是国内外畜禽养殖中常用药剂，由于其在水处理过程中去除效率很低，会影响后续排放水体水质，释放的无机砷毒性很大，因此是目前国内外高度关注的难题。哈尔滨工业大学环境学院教授、城市水资源与水环境国家重点实验室成员马军团队研究发现，用高铁酸盐可高效地去除有机砷，利用高铁酸盐的强氧化作用和其原位形成的纳米级铁氧化物的吸附作用取得对有机砷污染物高效去除效果。
水中痕量有机污染物的去除是环境污染治理、生态保护及饮用水安全保障的核心课题。目前常规的有机污染物物理化学控制方法主要是利用强氧化剂（如臭氧、过硫酸盐、高锰酸盐等）破坏目标物化学结构，使其丧失相应的化学特性（毒性），从而达到污染控制的目的。相较于化学氧化过程，物理吸附可彻底地去除水体有机污染物并保证处理水的生物稳定性。但对于痕量有机污染物而言，达到高效去除污染物的目标需投加大量的吸附剂，由此大大地提高了水处理成本。同时，在实际水处理过程中，投加大量吸附剂有可能向水中引入新的污染物。
高铁酸盐是集氧化、吸附、絮凝、消毒等功能于一体的新型水处理药剂，具有氧化能力强、反应活性高、产物（铁氧化物）无毒且易絮凝等多种特点。以往关于高铁酸盐的研究多聚焦于其氧化性能，忽视了其还原产物（纳米级铁氧化物）在污染物控制过程中的作用。
马军教授团队在利用高铁酸盐处理对氨基苯胂酸（一种常用有机砷类畜禽饲料添加剂）时发现，高铁酸盐不仅可以高效地氧化对氨基苯胂酸，而且其还原产物可以高效地吸附系统中形成的无机砷及有机砷（对硝基苯胂酸，对氨基苯胂酸的氧化产物）等，对总砷（有机砷和无机砷）的去除效率可高达99%以上。并且，在反应过程中，高铁酸盐的氧化作用及其原位产生铁氧化物吸附作用可去除水中近60%的总有机碳。相比于单纯的化学氧化，高铁酸盐氧化过程所特有的“氧化+吸附”作用可大大地提高对有机污染物的去除效率，为解决有机砷污染控制难题提供了一条经济、高效的技术发展途径。
高铁酸盐氧化对氨基苯胂酸的反应路径示意图
7、中科院新技术：可实时自动监测工业废水中的重金属污染
铅、镉、铬等重金属污染严重威胁生态环境和人体健康。中科院安徽光学精密机械研究所研究员赵南京研制出一种新型环境监测系统，实现了对工业排放废水中多种重金属的实时在线自动监测。
近年来重金属污染事件时有发生，其中铅、镉、铬、汞、砷等危害较大。目前对水体中重金属的在线测量主要采用比色法和电化学分析法，这两种方法各有缺陷，有的不能同时测量多种离子，有的灵敏度较低。
由赵南京研制的“工业排放废水重金属在线监测技术系统”通过专家组验收。这种系统基于激光诱导击穿光谱技术，以石墨基片为水样载体，通过自动加载与卸载石墨基片、水样自动进样与精确滴定、样品烘干、光谱测量与分析，从而实现废水重金属含量的连续在线自动监测，可同时测量铅、镉、铬、铜、镍、锌等多种重金属元素。
该项目在激光诱导等离子体光谱增强技术、废水重金属自动富集方法及数据定量处理算法等方面取得了创新性成果。科研人员在一家金属冶炼厂进行了为期两周的外场示范运行试验，并与电感耦合等离子体光谱法进行了比对分析，结果显示测量稳定性误差在5%以下，相对误差在0.02%至9.1%之间。系统连续运行期间，无人值守但运行稳定、可靠。
8、中国科学院宁波材料所新型油水分离材料获评“好设计”
在日前举办的2018中国创新设计大会暨“好设计”颁奖仪式上，中国科学院宁波材料技术与工程研究所新型油水分离材料与应用项目荣获“好设计”银奖。据介绍，该油水分离材料主要应用于溢油应急及含油废水处理，其回收的油污含油率大于90%，每小时可处理万余平方米的水面薄油层污染物。
该获奖项目包括宁波材料所薛群基院士、曾志翔研究员团队自主研发的新型油水分离材料，以及基于该材料设计的多种新型智能装备技术。新型油水分离材料在溢油事故发生时，可实现高效快速应急与油水分离;在处理石化、煤化工含油废水时，可实现物理破乳替代化学破乳油水分离，减少二次污染，大幅降低成本。
图1. (上)超疏水性PS/CNTs薄膜的制备以及分离油水乳液, (下)Janus 碳基薄膜分离油水乳液
中科院宁波材料所高分子事业部陈涛研究员的智能高分子材料团队长期致力于二维高分子纳米复合油水分离材料的研究，通过表面接枝高分子刷和多级组装技术，获得多种新型复合材料，可实现高效分离油水乳液和净化水质。科研人员采用多孔陶瓷作为衬底，抽滤纳米碳管（CNTs）成膜，采用自引发的光接枝光聚合(self-initiated photografting and photopolymerization，SIPGP)的方法接枝疏水性的高分子聚苯乙烯（PS）到CNTs的表面，进而协同利用CNTs薄膜的高粗糙度表面，获得超疏水性的二维杂化薄膜材料。该膜可用于微米和纳米级油包水乳液的大通量、高效分离（J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 15268-15272，图1上，内封面）。在此基础上，将得到的超疏水性的PS/CNTs薄膜反转并转移到另一个基底上，再次通过SIPGP将亲水性的聚甲基丙烯酸二甲胺乙酯（PDMAEMA）单向接枝到CNTs膜的表面，从而得到具有亲水/疏水结构的双面（Janus）复合薄膜（PDMAEMA/CNTs/PS），实现对油包水和水包油乳液进行选择性分离的效果（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 16204，图1下）。
图2. CNTs/PS@AuNPs多级复合薄膜的催化降解和油水分离功能
为快速有效去除油污水中的有害污染物，该团队通过表面接枝分子刷和层层组装技术，获得一种新型多级复合材料，实现高效分离油水乳液和净化水质。利用抽滤的方法，使得高密度负载金纳米颗粒的聚苯乙烯复合微球（PS@AuNPs）紧密堆积，组装形成复合微球催化薄膜，进而将亲水性碳纳米管薄膜沉积在微球薄膜表面，从而获得一种水下超疏油、具有催化功能的多级复合薄膜（J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 10810，图2）。分离过程中，油相被上层碳管薄膜阻截，水相则通过微球间弯曲孔道穿过下层复合微球薄膜，从而实现油水分离功能。水相绕流经过微球孔道的同时，水相中模型有机污染物（硝基苯酚和硼氢化钠混合溶液）与孔道内壁上的高密度金纳米颗粒充分接触，被快速催化分解，实现快速有效催化降解水中有机污染物。这种新型复合薄膜材料，首次同时实现了油水乳液分离和催化分解水溶性有机污染物，处理通量达到3500 L m-2 h-1 bar-1，催化效率最高可达92.6%，并具有良好的力学和催化稳定性，可多次重复使用，并适于连续性操作，为工业化废水处理提供了一种新的分离技术。当负载银纳米颗粒（Ag NPs）到超亲水CNTs分离薄膜中，利用银纳米颗粒的杀菌性能，可在油水分离的同时杀死水质中的有机污染物或细菌，从而同时实现油水分离和快速有效净化水质。
根据实际应用需求，该团队还开发了超疏水吸油材料、超疏油亲水材料、高效隔油过水材料、高效油吸附凝结材料、高效水吸附凝结材料等系列材料，衍生了电子产品新型超疏水数涂层材料，并发展了核电冷源系统关键防务工程装备、海洋溢油应急智能装备与方案、河流溢油应急装备与方案、新型煤化工油水分离装备与方案、新型聚集凝结物理破乳装备与水处理方案等。
在含油废水处理领域，该项目是国内唯一利用纯物理聚集凝结替代化学破乳、絮凝、气浮过程，并完成低成本、大水流量、大规模应用的技术项目。该项目技术及方案已在大亚湾核电站、昌江核电站、中煤榆能化、河北龙成煤综合利用有限公司、河南龙成集团等获得广泛应用。
特别值得一提的是，在电子产品日益普及的当下，由该项目衍生的超疏水涂层还可应用于电子产品防水领域，宁波材料所在此领域已取得系列进展。“设备方面，开发了一系列低温等离子体纳米涂层制备设备，解决了涂层生产效率、质量、均匀性、成品率及性价比等方面的问题。在纳米涂层工艺上，构建了多尺度梯度纳米涂层体系，解决了防水、防护与散热、透波性、导通性的矛盾。”曾志翔研究员介绍说，目前，这种纳米涂层制备技术已在高端手机及无人机、汽车、海洋工程等领域得到广泛应用，在电子产品防水涂层领域市场占有量稳居全球前列。
9、国际首次采用PTFE中空纤维膜成功应用于高氨氮废水处理
近日，中科院大连化物所曹义鸣研究员团队开发的聚四氟乙烯（PTFE）中空纤维膜接触器技术成功应用于提钒废水中高浓度氨氮的脱除项目。废水处理量50t／d、进水氨氮浓度为2000-5000mg/L，设计的出水氨氮浓度为10mg/L。
工业项目由大连化物所和南京碧盾新膜技术有限公司提供PTFE膜组件及工艺流程设计、攀枝花碧源科技负责工程设计和制造以及现场实施共同完成。
经过72小时现场运行，出水氨氮浓度稳定在2~7mg/L，达到国家钒工业污染排放标准（10mg/L）和污水排放国标1级A（8mg/L）规定要求，这是国际上首次采用PTFE中空纤维膜在提钒高氨氮废水领域工业应用成功典范。由于PTFE膜材料优异疏水性和抗污染特性，工艺上采用廉价的石灰代替液碱调节pH值，大幅度地降低了运营成本。系统具有能耗低、脱氨氮效率高、膜寿命长、装置紧凑、操作简单等优势。
在袁权院士指导下，曹义鸣研究员团队于2012年研发出高性能PTFE中空纤维膜核心技术，成功应用于马来西亚石油公司的天然气脱CO2国际开发与合作中试项目，此次在高氨氮废水处理中成功实施，是PTFE中空纤维膜接触器技术在应用领域又一次重要突破。
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