科学家研发仿生学纳米絮凝剂-污水处理新突破

时间：2019-05-30 21:13:36 来源：IWA国际水协会 作者：

目前主流的水处理技术一般由多工序组成，原因是水中污染物的特异性需要通过不同的手段来去除。科学家们一直在寻找更加简便的处理工艺。最近来自北京大学与耶鲁大学的联合团队在这方面取得了重大进展他们受到海洋生物海葵的启发，研发了一种一步式污水深度处理技术。

絮凝技术的瓶颈

絮凝是应用最早的水处理技术之一。据说早在公元前1500年，古埃及人首先开始使用絮凝这种方法去除水中的颗粒杂质；而在公元1637年，中国的《天工开物》一书中就有了关于明矾制造和使用方法的记录。一般来说，絮凝主要用絮凝剂（例如氯化铁）去除悬浮物和胶体类物质，具有应用广泛、操作简便、成本低廉的优点，但对于环境风险较高的小分子溶解性物质去除效果甚微。如今水质标准日益严格，仅仅使用传统的絮凝工艺显然不能满足要求。

随着对化学处理认识的加深，人们重新开始探讨絮凝作为污水深度处理工艺的可能性，其关键取决于在小分子物质从小尺度转变到大尺度絮体的过程中能否形成介尺度凝聚核，换言之如何通过分子设计诱发小分子相间传质形成凝聚核，是絮凝剂研究领域遇到的最大挑战。

北京大学环境科学与工程学院赵华章教授团队与耶鲁大学Menachem Elimelech教授团队设想研发一种可以同时去除离子和有机物的新型絮凝剂。然而，他们在材料研发初期遇到了困难。要这种材料既可以吸收并储存溶解性化合物，还能防止沉淀和形成凝胶，并不是一件容易的事情。因为要让絮凝捕获小分子，需要絮凝剂长有触手一样的官能团，在絮凝形成絮体沉降的同时牢牢抓住小分子并携带进入沉淀，但官能团的引入又极易导致絮凝剂组分之间胶凝、沉淀，失稳，使得絮凝效果大大降低。

海葵的启发

“海葵这种海洋捕食者的一些身体特征和行为习惯启发了我们”。赵华章教授接受国外媒体采访时解释道。海葵学名Actinia，英文俗称sea anemones。海葵的形变功能和捕食特性很有特点：它们在休息的时候会蜷缩成一个小球，触手被包裹在身体内部；而在捕食的时候，它们则会将自己的身体外翻、扩张，触手暴露在外捕获食物。如果能够模仿海葵的结构和捕食特征，制备智能化纳米絮凝剂，则既能保证其在保存过程中的的稳定性，又能实现絮凝过程中对小分子污染物的抓捕。

研究团队因此从仿生学入手，利用油脂有机基团和极性无机硅酸铝的复合物做成核壳结构的纳米颗粒，成功复制了海葵的构造来模仿其行为：在低于4的pH下，这些颗粒是处于闭合态，但在较高的pH环境下（例如在污水中），水会包围硅酸铝复合物，颗粒被翻开并露出它们触须状的有机内核。

图.这种受海葵启发的纳米粒子的碳核结构（C 青色，H 白色，N 蓝色，Si 黄色，O 红色，Al 粉红色）

这种设计使得该絮凝剂在使用前呈核壳胶束结构存在于水中，解决了多数絮凝剂在储运过程中易失稳的难题。而在使用的时候，由铝硅复合物组成的“壳”会水解相变，像普通絮凝剂那样去除悬浮物和胶体；由有机官能团组成的“核”外翻并环绕固定于“壳”上，像海葵的触手捕捉水中小分子。通过上述智能过程，新型絮凝剂可实现在单个处理步骤里就能去除包括微污染物和其他较大颗粒的污染物。

图.絮凝剂的酸碱控制示意图

测试结果

研究团队把这种新型絮凝剂称为仿海葵胶束纳米絮凝剂（Actinia-likemicellar nanocoagulant），简称AMC。他们采用了某市政污水处理厂的二级处理出水作为测试对象来检验AMC的处理效果，并和三种传统絮凝剂做对比，包括硫酸铝、氯化铁和聚二烯丙基二甲基氯化铵(polyDADMAC)。下图是对比结果:这三种絮凝剂的浊度、溶解有机碳(DOC)和总磷的去除率分别为8798%、3054%和868%（与其他文献的测试结果吻合）。AMC在浊度方面的表现与前三者类似(>90%)，而对DOC、总磷和硝酸盐的去除率均超过90%。与工业级别的絮凝剂相比，这是一个重大改进。AMC对硝酸盐的去除表现是一大亮点，因为这是一般传统絮凝剂做不到的。

图. AMC与传统絮凝剂的去除效果对比

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