水处理中的绿色化学与绿色技术
肖湘竹
2005年3月
案 例
美丽沱江变哭泣之河
2004年2～3月间，四川化工股份有限公司第二
化肥厂将大量高浓度氨氮废水排入沱江支流毗
河，导致沱江严重污染，这是建国以来少有的
特大污染事故。近百万群众生活饮用水中断，
鱼类大量死亡，大批企业被迫停产，直接经济
损失两亿多元。4～5月，四川省仁寿县东方红
纸业有限公司将造纸废水偷排到沱江支流球溪
河，致使沱江再次受到严重污染。
水资源缺乏是二十一世纪的三
大问題之一
水资源短缺及污染问題是未
来新世纪人类的三大问題之一
（艾滋病、水资源及耕地面积的
短缺），有其急迫性与复杂性。
水资源缺乏是二十一世纪的三
大问題之一（续）
2000年：每八秒一個儿童死
于与水质有关的疾病。全球14亿
人口没有安全饮用水，30亿人口
缺乏清洁设施。每年因不安全用
水造成33亿5千万件疾病，530万
人死亡。必須投入6000亿~8000亿
美元解决缺水。
水资源缺乏是二十一世纪的三
大问題之一（续）
2025年：全球90亿人口中没
有安全饮用水人数增加到23亿人。
中东地区尤其面临危机，土耳其
和叙利亚、土耳其与伊拉克、以
色列与阿拉伯、埃及与苏丹，水
战一触即发。
我国水资源现状
我国是一个干旱缺水严重的国
家。我们的淡水资源总量为28000亿
立方米，占全球水资源的6％，但人
均只有2300立方米，仅为世界平均水
平的1／4、美国的1／5，在世界上名
列121位，是全球13个人均水资源最
贫乏的国家之一
你会烧开水吗？
在人类面临全球性水资源枯竭和水环
境污染的今天,如何解决水处理工业与社
会经济之间持续、健康、和谐的发展关
系是未来水处理工业可持续发展的关键,
一场以绿色化学为基础的绿色水处理技
术革命已成为21世纪水处理科学的学科
前沿和水处理工业的重点发展方向。
什么叫绿色技术？
绿色技术又称环境无害技术、环境
友好技术或清洁技术等。
绿色技术是能够同时满足技术经济
指标先进、无毒和不污染环境3项基
本要求的技术。
主要的绿色水处理技术
超临界水氧化法(ＳＣＷＯ)
高级氧化技术(ＡＯＰｓ)
电催化氧化法
超声波降解技术
膜处理技术
超临界水氧化法(ＳＣＷＯ)
美国国家关键技术所列的六大领域之一“能源
与环境”中指出,最有前途的废物处理技术是
SCWO法。
美国能源部会同国防部和财政部已于1995年召
开了第一次SCWO法研讨会,讨论用SCWO法处
理政府控制污染物(governmentwastes)。
美国能源部科学家指出:“鉴于SCWO
法具有诸多优点,用它来代替焚烧法是极有生
命力的”。
超临界流体
当把处于气液平衡的物质升温升
压时,热膨胀引起液体密度减少,而
压力的升高使气、液两相的相界面
消失成为一均相体系,这一点就是物
质的临界点。当物质的温度、压力
分别高于临界温度和临界压力时就
处于超临界状态。
超临界水的原理及特征
水的临界
点为
℃,
超临界状态下水的特异性质
(1)与密度和溶解特性有关的重要因子介
电常数的值,在标准状态下大约为,而
温度在500℃的超临界状态下,水的介电常
数急剧下降到2左右。
(2)氧气等气体在通常状态下在水中的溶
解度较低,但在超临界水中氧气、氮气等
气体的溶解度空前提高,以至于可以任意
比例与超临界水混合,而成为单一相。
超临界状态下水的特异性质
（续）
(3)气液相界面消
失,流体的传输性
能改善,具有低粘
性和高扩散性,表
面张力为零,向固
体内部的细孔中的
浸透能力非常强。
超临界水与普通水溶解度的对比
超临界水氧化法的定义
超临界水氧化法正是利用超临界水的特
性,使本来发生在液相或固相有机废料和
气相氧气之间的多相反应转化为在超临
界水中的均相氧化反应。废水中的有机
污染物与氧化剂在超临界水中充分反应,
生成无毒无害的二氧化碳、水和其它简
单小分子化合物,达到净化废水的目的。
超临界水氧化法原理
有机化合物+Ｏ2→二氧化碳+水
有机化合物中的杂原子+Ｏ2 →酸、
盐、氧化物
酸+ＮａＯＨ→无机盐
超临界水氧化法的优点
(1)几乎所有的有机物,只要几秒
至几分钟,就可以完全分解,分解
率在%以上,几乎全部被转
化成二氧化碳、水、氮、无机盐
等。
超临界水氧化法的优点（续）
(2)盐类及金属等无机物以固体
形式被分离回收,其他排到体系
外的物质只是气体状物质CO2、
N2、O2等以及处理干净的水。不
产生二次污染。
超临界水氧化法的优点（续）
(3)只要被处理废水中的有机物
浓度在1%～2%,就可以依靠反应
过程中自身的氧化放热来维持反
应所需的温度。如果浓度更高,
则放出更多的氧化热,这部分热
能可以回收。
超临界水氧化法的优点（续）
(4)处理装置可以设计成可移动
式的、小型化的方便应用型设备。
超临界水氧化法的优点（续）
(5)从经济上来考虑,有资料显示,
与坑填法和焚烧法相比,超临界
水氧化法处理废物年操作维修费
较低,单位成本较低,具有一定的
工业应用价值。
超临界水氧化法的处理效果
超临界水氧化法的适用范围
化工、医药、食品、军事工业和
核工业废水以及城市污水的处理。
需要解决的问题
研究开发广谱性催化剂；
有效控制高温高压；
解决固体颗粒对设备的堵塞问题和抑制
结垢；
以最大效率回收热能；
深入研究其热力学和动力学,使工程设计
和过程开发得以进行。
高级氧化技术(AOPS)
AOPS主要包括：
Ｏ3 /ＵＶ(紫外线)法
ＵＶ 固相催化剂法
Ｈ2Ｏ2 /ＵＶ法
Ｈ2Ｏ2 /Ｆｅ2+法
Ｏ3 /Ｈ2Ｏ2法等
Ｏ3/ＵＶ(臭氧/紫外光)组合过程
1/3Ｏ3+Ｈ2Ｏ+ＵＶ→Ｈ2Ｏ2
Ｈ2Ｏ2+ＵＶ→ 2ＨＯ·
·ＯＨ能够无选择性地氧化水中
的有机污染物,使之完全矿化为
ＣＯ2和Ｈ2Ｏ。
Ｈ2Ｏ2/ＵＶ(过氧化氢+紫外光)组
合过程
Ｈ2Ｏ2+ＵＶ→ 2ＨＯ·
ＨＯ·+Ｈ2Ｏ2 →Ｈ2Ｏ+ＨＯ2·
ＨＯ2·+Ｈ2Ｏ2 →Ｈ2Ｏ+ＨＯ·+Ｏ2
2ＨＯ· →Ｈ2Ｏ2
·ＯＨ能够无选择性地氧化水中的
有机污染物,使之完全矿化为ＣＯ2和
Ｈ2Ｏ。
尚存在的缺点
光催化反应要求被处理体系具有良好透
光性,而高浓度污水往往杂质多、浊度高、
透光性差,使反应难以进行。
光催化剂的固定问题仍未能很好解决。
悬浮相催化剂有易失活、易凝聚和难回
收。
适于工业应用的光催化反应器急待开发。
电催化氧化法
通过阳极反应直接降解有机物,
或通过阳极反应产生羟基自由基(·
ＯＨ)、臭氧一类的氧化剂降解有机
物,这种降解途径使有机物分解更加
彻底,不易产生毒害中间产物,更符
合环境保护的要求。这种方法通常
被称为有机物的电催化氧化过程。
有机物电催化氧化机理模式(以
苯酚为例)
2Ｈ2Ｏ2 → ·ＯＨ+2Ｈ++2ｅ-
Ｃ6Ｈ5ＯＨ+·ＯＨ→芳香类化合物中间产物
芳香类化合物中间产物+·ＯＨ→脂肪酸类
化合物中间产物
脂肪酸类化合物中间产物+·ＯＨ→ＣＯ2+
Ｈ2Ｏ
析氧竞争副反应 2·ＯＨ→Ｈ2Ｏ+1/2Ｏ2
尚存在的问题
反应机理的研究缺乏活性物种的
鉴定;反应途径尚停留在设想推
测阶段;催化电极的研制开发缺
乏理论指导。
电极结构的合理设计和操作条件
的优化缺乏系统的研究。
超声波降解技术
超声波降解有机污染物的原理是,当声能足够
强时,在疏松的半周期内,液相分子间的吸引力
被打破,形成空化核,空化核的寿命为0 1μｓ,它
在爆炸时的瞬间可产生约4000Ｋ和100ＭＰａ的
局部高温和高压环境,并产生速度约为110ｍ ｓ
的具有强烈冲击力的射流。该条件足以使所有
的有机物在空化气泡内发生化学键断裂、高温
分解或自由基反应而使废水中的有机污染物降
解。
需要解决的问题
有机物降解的强化途径、降解机理；
反应器的合理设计；
高频超声波发生器研制；
反应过程的定量化描述
空化泡界面特性研究；
连续化处理工艺开发；
多相体系中污染物降解特性；
避免有毒中间体产生。
膜处理技术
膜分离过程大多无相变,可在常温下
操作,具有能耗低、效率高、工艺简单、
投资小和污染轻等优点,在水处理应用中
发展相当迅速。它包含微滤(ＭＦ)、超滤
(ＵＦ)、渗析(Ｄ)、电渗析(ＥＤ)、纳滤
(ＮＦ)和反渗透(ＲＯ)、渗透蒸发(ＰＶ)、
液膜(ＬＭ)等。其中,ＲＯ、ＮＦ技术尤为
引人注目。
需要解决的问题
需要研究膜的吸附机理、更好的
膜材料和膜表面结构的优化,以
改进膜的水通量、选择性、耐高
温性和抗氧化能力。
化学法是否都是非绿色技术？
化学法是否是绿色技术,关键要看所
使用的产品是否符合绿色化学要求。
水处理行业面临的严峻挑战是,必须
尽快研究开发去污性能好,又能满足
可生物降解性要求的水处理剂,促进
水处理产品和技术的更新换代。
我们追求的目标—零排污技术
理想的绿色技术是零排污或者零排
放。零排污水处理技术是以“绿色
化学”为基础的新概念,从始端、终
端和中间过程杜绝污染产生的新思
路,能够最大限度地节水和彻底解决
水污染的新技术,代表了21世纪水处
理技术的发展方向。
水是二十一世纪的金
水是人类生存的生命线，也
是农业和整个经济、生态的
生命线。
参考文献
[1]熊蓉春,董雪玲,魏刚.绿色化学与21世纪水处理剂发展战略[Ｊ].环境工程
,2000,18(2):22程,2000,18(2):22
[2]熊蓉春,贾成功,魏刚.臭氧化法水处理技术[Ｊ].工业水处理,2000,20(增刊
):26
[3]熊蓉春,贾成功.电催化氧化法处理染料废水的研究[Ｊ].环境工程,2002,20(增
刊):55
[4]向波涛,王 涛,杨基础,等.一种新兴的高效废物处理技术——超临界水氧化法
[J].化工进展,1997,(3):39～44.
[5]陈武,李凡修,梅平.超临界流体技术在环境保护中的应用.环境污染治理技术与
设备,2003,4(2):59～62
[6]丁军委,陈丰秋,吴素芳,等.超临界水氧化方法处理含酚废水.环境污染与防治
,2000,22(2):1～4
[7]蒋建华等.超声降解水体中化学污染物的研究现状环境科学进展,1998,6(6):29
—35
[8]胡文容,钱梦禄,高廷耀.超声强化臭氧氧化偶氮染料的脱色效能.中国给排水
,1999,15(11):1—4
[9]贾金平等 活性炭纤维电极法处理染料废水机理研究 环境科学,1997:18(6):31
～34
[10]戴军,袁惠新,俞建峰.膜技术用于工业废水处理的现状及进展[Ｊ].过滤与分
离,2001,11(3):5～8,18
谢谢
