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绿色化学 21世纪水处理发展大势所趋

时间:2007-07-16 来源: 作者:

    在这方面,突破传统思路是十分重要的,被誉为更新换代的绿色阻垢剂的聚天冬氨酸的研究开发值得借鉴。聚天冬氨酸是受动物代谢过程启发而于近年合成成功的一种生产高分子。

    APWheelerCSSikes在对碳酸钙有机体的研究中发现,从渗入牡蛎壳的蛋白母体得到的糖蛋白具有阻止无机或生物碳酸钙沉积的作用,是一种潜在的阻垢剂,而不是象过去人们一直认为的那样,是碳酸钙成核和晶体生长的促进剂。进一步的研究发出色,在氨基酸聚合物中,聚天冬氨酸的阻垢性能最好,并具有非常好的生物相容性和可生物降解性。我们进行的合成试验表明,相对分子质量高的线性聚天冬氨酸具有优异的分散、缓蚀、螯合等功能,可用作阻垢剂、缓蚀剂和分散剂等。

    现有水处理剂产品的重新评价从70年代初我国开始现代水处理技术和水处理剂的研究开发以来,已取得了许多重要成果。特别是在八五九五期间,国家对水处理剂研究开发给以重点支持,大大促进了水处理科技进步,形成了一系列具有自主知识产权的技术和产品。目前,我们水处理化学品的种类主要有缓蚀剂、阻垢剂、杀生剂和絮凝剂,其中缓蚀剂和阻垢剂在品种开发领域方面都已接近国际先进水平。

    全国水处理化学品的生产能力为12t/a,生产企业约为100家,产品品种为100个,实际产量约10t/a,年产值约12亿元。从使用的水处理化学品的类型来看,主要使用有机膦酸类缓蚀阻垢剂、聚丙烯酸等聚合物和共聚物阻垢剂。目前,用于处于工业循环冷却水的水质稳定剂的配方以磷系为主,约占52~58%,钼系配方占20%,硅系配方占5%~8%,钨系配方占5%,其他配方占5%~10%。绿色化学的概念正在重新评价现有水处理化学品的作用和性能。对这些功能早已为人们熟知的产品,可生物降解性是最重要的评价指标。目前正在广泛使用的磷系缓蚀阻垢剂、聚丙烯酸等聚合物和共聚物阻垢剂虽然曾经使冷却水处理技术取得了突破性进展,在解决人类面临的水资源枯竭问题上起着重大作用,一直是国内外研究开发的重点并被认为是无毒的。

    但据近年的一些文献报道,它们或者会使水体富营养化,或者是高度非生物降解的,因而均属于环境不可接受的污染物。对水处理剂其它品种,也应进行重新评价。现有水处理产品的重新设计我们面临的严峻挑战是,必须尽快研究开发性能优异而又符合绿色化学思路的水处理剂。为此,对现有水处理剂产品进行重新设计也是一条可供选择的重要途径。

    聚丙烯酸类阻垢剂具有良好阻垢作用但难以生物降解,若重新对其进行分子设计,向其分子链中插入氧原子,就可能获得既得优良阻垢作用又容易生物降解的产品。对于聚环氧琥珀酸的发明,我们不了解发明者的初衷,但其结果是符合向分子链中插入氧原子这一思路的。

    现在已经证明,具有无磷、非氮结构的聚环氧琥珀是一种绿色水溶性好,对钙、镁、铁等离子的螯合力强,运用于高碱高固水系,可用于锅炉水处理、冷却水处理、污水处理、海水淡化、膜分离等,是现有阻垢剂的更新换代产品。原子经济性反应的研究开发原子经济性反应是把原料分子中的原子最大限度地结合到目标分子中,不产生副产物或废物,达到废物的零排放。以聚天冬氨酸的合成为例,以磷酸为催化剂,可以制和相对分子质量高的线性聚天冬氨酸,但存在副产物的分离和排放问题。若不采用磷酸催化剂,通过改变反应条件,能够制得相同质量的聚天冬氨酸,但无副产物生成,实现了原子经济性合成。

    值得注意的是,在水处理剂的合成中,有时存在着虽然有副产物生成但不进行分离的情况。这种情况不是原子经济性合成,因为原料分子中的原子并未得到充分利用,反应过程中有副产物生成。虽然副产物当时没有分离,但仍然要随产品排放到水体中。采用稳定的催化剂,缩短工艺流程阻垢剂对金属离子往往有很强的螯合力,在其合成过程中有可能与金属催化剂反应生成螯合物,增加分离过程和废物排放,若能采用不与阻垢反应的稳定催化剂,即可实现洁净生产。

    例如,在聚环氧琥珀酸合成过程中,聚环氧琥珀与金属催化剂生成的螯合物非常稳定,净化分离聚环氧琥珀酸需要调节pH值和减压蒸馏并排放蒸馏废液。采用性能稳定的固体催化剂,即可免去聚环氧琥珀酸的净化分离过程和对环境的污染。采用无毒溶剂两性聚丙烯酰胺是具有特殊功能的絮凝剂和当前最好的污泥脱水剂,在处理一些处理难度大的污水时显示出独特的优良性能,可以提高悬浮的凝聚、澄清、沉降速度,增大絮体的尺寸和坚实度,提高污泥过滤速度,降低滤饼含水率,改善脱水滤饼的剥离性。从制得相对分子质量的产品考虑,采用反相乳液聚合比较合理,但存在有机溶剂污染问题。采用以水为溶剂的溶液聚合法,虽然反应条件控制较难,但可避免废液排放。

    因此,选择了后一技术路线。绿色化这的发展需要对传统的化学化工学科重新认识和评价,从观念上、理论上和技术进行发展和创新。随着绿色化学作为学科前沿前的逐步形成,化学研究和化工生产的面貌将会发生翻天覆地的变化。水处理剂的绿色化战略为我们提供了赶超世界先进水平的难得机遇。过去,由于起步晚等原因,我国和发达国家之间在科技水平上总是存在一定差距,全新的绿色化学则使我们同发达国家站在了同一起跑线上。为消灭污染、拯救地球和造福于子孙万代的绿色化学的发展作出贡献。

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