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摘要: 本文作者阐述了我国水处理药剂发展面临的机遇，分析了环保型水处理药剂的应用现状，指出了新型环保型水处理药剂的发展方向。
关键词: 水处理药剂；分析
Abstract: The author describes the opportunities facing the development of water treatment chemicals in China, and analyzes the application status of environmentally friendly water treatment chemicals, and pointed out the direction of the development of a new environmentally friendly water treatment chemicals.Keywords: water treatment chemicals; analysis
中图分类号：TU7文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
1 我国水处理药剂发展面临的机遇
1.1 节能减排、清洁生产和水循环利用的需求
水资源贫乏且重复利用率低一直是我国面临的一大难题，尤其是近年来随着国民经济的迅速发展，用水量急剧上升，水污染加剧，水资源短缺问题日益突出。据有关资料显示，2010 年，我国工业用水量约 1400 亿 m3，其中约 70% 的工业用水为工业冷却用水。为了节约冷却水，工业上普遍采用循环冷却水系统，使冷却水重复使用。但在循环冷却过程中，由于溶解盐类的浓缩及大量溶解氧、尘土、孢子和细菌，致使循环水水质恶化。此外，冷却水在不断循环使用过程中，使循环水系统容易产生腐蚀、结垢、菌藻以及微生物黏泥等问题。为了有效地控制上述危害，需要对工业冷却水进行高浊度、高硬度、高碱度处理，而利用水处理药剂处理冷却水是目前广泛使用的方法。
1.2 环境标准不断提高带来的新需求
为改善我国流域水环境质量，必须根本扭转“有河皆干、有水皆污”、湖泊富营养化严重、水华暴发等局面。近年来，我国重点污染防治区的地方政府相继大幅提高了地方水污染排放标准。“十二五”期间，滇池、巢湖、太湖等重点流域城镇污水处理厂进一步提高脱氮除磷水平。环境标准的不断提高为新型环保水处理药剂的研发指明了方向，为水处理药剂的再次飞跃提供了新的契机。
1.3 水环境质量改善的需求
《国家环境保护“十二五”规划》提出，“十二五”期间，将在控制 COD 的基础上，将 NH3-N 作为水污染物总量控制的约束性指标，这对流域水污染防治提出更高的要求。太湖、滇池和巢湖等重点流域在加强对主要污染物排放量进行控制的同时，降低入湖 TN、TP 等污染负荷，改善流域水质。但目前我国工业水处理中常用的缓释阻垢剂仍以磷系为主，主要品种有: 聚磷酸盐、磷酸酯、有机多元膦酸等，全国每年用于缓释阻垢剂生产的磷有 10 万 t。这些磷化合物最终进入水体，造成湖泊水体富营养化，水华暴发，发生海水赤潮等，严重破坏生态环境。因此，研究开发新型的低磷或无磷、无毒、可生物降解的绿色环保水处理剂势在必行。
1.4 国家水体污染控制与治理科技重大专项的实施带来巨大机遇
根据我国流域水环境质量管理演变的规律和研究成果，现阶段我国水环境管理正经历从总量控制向流域水质目标管理全面转变。国家水体污染控制
与治理科技重大专项的实施，将构建我国流域水染控制与治理技术体系和流域水环境综合管理技术体系，这为新型高效环保水处理药剂的研发提供了前所未有的科技支撑条件，为水处理药剂发展的再次飞跃搭建了科技平台。
2 环保型水处理药剂的应用现状
2.1 环保型缓蚀剂
环保型缓蚀剂主要包括钼酸盐类缓蚀剂、硅酸盐类缓蚀剂、钨系缓蚀剂、天然型缓蚀剂、微生物缓蚀剂等。缓蚀剂技术作为一种经济、有效而通用性强的金属防腐蚀方法，已在石油、化工、电力、能源等工业部门获得广泛的应用。自从 1860 年英国宣布了第一个缓蚀剂专利，缓蚀剂经历了从无机共聚物到有机共聚物，从高磷、低磷到无磷，由单一使用到复配使用的发展历程。为了减轻缓蚀剂对环境的危害，国内外对环保型缓蚀剂进行了广泛的研究。
2.2 环保型阻垢剂
环保型阻垢剂主要包括天然阻垢剂、有机磷酸酯类阻垢剂、有机膦酸类阻垢剂、马来酸酐类共聚物、烷基环氧羧酸类阻垢剂、聚环氧琥珀酸( PESA) 、聚天冬氨酸( PASP) 。阻垢剂通过对水中金属离子的螯合、对微晶的吸附分散和晶格畸变等作用，阻止水中致垢盐类在设备表面沉积。阻垢剂正向应用药剂的复合化(既能充分发挥单一药剂突出的性能，又能弥补单一药剂结构上的缺憾，可适当降低有效药剂的含磷量)，单一药剂的无磷或低磷化、非氮和可生物降解的方向發展。
2.3 环保型杀菌剂
环保型杀菌剂主要包括二氧化氯、溴类杀菌剂等氧化性杀菌剂，异噻唑啉酮、戊二醛戊二醛等非氧化性杀菌剂，季铵盐，复合非氧化性杀菌剂等。水处理杀菌剂是能抑制水中菌藻和微生物的滋长，防止形成微生物粘泥而对系统造成危害的化学药品。杀菌剂正向无氯或低氯化、安全低残留、低至突变、复合效率高等的方向发展。
2.4 环保型絮凝剂
环保型絮凝剂主要包括聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚合硅酸铝等无机高分子，聚丙烯酰胺、聚胺、聚合季铵盐等有机高分子絮凝剂，微生物絮凝剂，多元复合絮凝剂等。絮凝剂主要包括无机絮凝剂、有机絮凝剂和微生物絮凝剂等，经历了原始天然产物絮凝剂→传统无机絮凝剂→无机高分子絮凝剂→合成有机高分子絮凝剂→天然有机高分子絮凝剂→微生物絮凝剂的发展历程。万俊杰等研究出 A3 菌产絮凝剂处理靛蓝废水在最佳公益条件下的脱色率达80%; 贾大伟等研究了3 种复合絮凝剂的处理效果，其中，PAC + PDADMAC 复合投加对册田水库水的浊度、色度、TOC 具有很好的去除效果，去除率分别高达 93%，90%和 71%。
3 新型环保型水处理药剂的发展方向
创新是水处理药剂可持续发展的原动力，绿色化是未来水处理药剂发展的方向，开发研制适合我国环境保护要求的低磷、非氮、可生物降解、无毒无害、低成本的绿色水处理药剂，将成为我国未来水处理药剂发展的方向。
3.1 有机高分子絮凝剂及多元复合絮凝剂
近代混凝理论创新可划分为 3 个主要发展阶段: 继早期 Schuldz-Hardy 规则根据经典胶体化学的Guoy-Chapman 双电层模型建立的 DLVO 理论、网扫絮凝模式( sweep coagulation) 、吸附架桥模型( bridgemodel) 。混凝理论认为混凝过程中主要存在压缩双
电层、吸附电中和、黏结架桥和卷扫絮凝 4 种机理，这为絮凝剂由传统无机絮凝剂发展为环保型无机高分子絮凝剂奠定了理论基础。不同理论所对应的药剂分类详见表 1。
表 1 混凝过程中不同理论所对应的药剂分类
近年来，随着有机高分子絮凝剂的吸附架桥、吸附电中和、聚合物-颗粒物表面络合物形成的耗散絮凝( depletion flocculation) 等机理的形成，以及对聚电解质络合絮凝机理和吸附胶束絮凝等难降解有机物强化絮凝机理的研究，为有机高分子絮凝剂及多元复合絮凝剂的研制和应用提供了理论基础，一批新型高效环保型有机高分子絮凝剂及多元复合絮凝剂得以研制，实现了水处理药剂的新突破。
3.2 绿色水处理药剂
1992 年，里约热内卢联合国环境与发展大会提出了“绿色科技”的概念。1995 年 3 月 l6 日，美国总统克林顿宣布设立“总统绿色化学挑战奖”，首先提出了“绿色化学”的概念。随后，Anastas 等提出了绿色化学的 12 条基本原则，即①防止废物的生成，比让其生成后再处理更好; ②设计的合成方法应使生产过程中所采用的原料最大量地进人产品中;③设计的合成方法中，原料、中间产物和最终产品均应尽可能对人体健康和环境无毒、无害( 包括极小毒性和无毒) ; ④设计的化工产品必须具有高效的功能，同时也要减少其毒性; ⑤应尽可能避免使用溶剂、分离试剂等助剂，如不可避免，也要选用无毒无害的助剂; ⑥设计的合成方法应适应常温常压; ⑦在技术可行和经济合理的前提下，采用可再生资源代替消 耗 性 资 源; ⑧ 尽 量 不 用 不 必 要 的 衍 生 物( derivatization) ，如限制性基团、保护/去保护作用、临时调变物理/化学工艺; ⑨合成方法中要采用比使用化学计量( stoichiometric) 助剂更优越的高选择性催化剂。绿色水处理药剂的发展经历了由天然
高分子绿色水处理剂到人工合成型高分子绿色水处理药剂的过程。常见的天然高分子绿色水处理剂有木质素、淀粉、丹宁及衍生物等。人工合成型高分子绿色水处理药剂主要有烷基环氧羧酸盐、聚天冬氨酸和聚环氧琥珀酸类。研制具有高阻垢性能、良好生物降解性、无毒、无磷或低磷的新型绿色水处理药剂是 21 世纪水处理药剂发展的方向。
3.3 多元复合水处理药剂
多元复合水处理药剂是一类具有一剂多效的水处理药剂，如聚硅酸与铝盐复合絮凝剂，就是一类新型无机高分子混凝剂，是在活化硅酸(即聚硅酸) 及铝盐混凝剂的基础上发展起来的聚硅酸与铝盐的复合产物，同时具有电中和作用和吸附架桥作用。该类混凝剂具有混凝效果好、价格便宜、处理后水中的残留铝量低等优点。又如聚卤代醇噻啉季铵盐絮凝剂，具有絮凝能力强的特点，特别适用于选矿作业中矿石与水的分离，同时还具有一定的杀菌和缓释作用。多元复合水处理药剂一剂多效的特点，吸引越来越多的研究者从事其制备工艺的研究及应用开发。
3.4纳米材料、微生物絮凝剂等新型高效水处理药剂
纳米材料具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，作为一种新型高效水处理药剂而被寄予厚望。目前，采用纳米 TiO2光催化降解毒害有机物、碳纳米管改性去除重金属等的研究已取得突破性进展，为纳米材料水处理药剂的研发开创了先例。
总之，在混凝理論不断创新的坚实基础上，水处理药剂将向绿色水处理药剂、多元复合水处理药剂和纳米材料、微生物絮凝剂等新型高效水处理药剂的方向高速发展。
参考文献:
［1］吴兵，徐瑞银，何绪文，等． 用于循环冷却水处理的新型阻垢剂的合成及性能研究［J］． 环境工程，2009，21(5).
［2］吴宇峰，曾凡亮． 绿色化学品与无磷阻垢缓释剂［J］． 化工时刊，2010，19(7).
关键词: 水处理药剂；分析
Abstract: The author describes the opportunities facing the development of water treatment chemicals in China, and analyzes the application status of environmentally friendly water treatment chemicals, and pointed out the direction of the development of a new environmentally friendly water treatment chemicals.Keywords: water treatment chemicals; analysis
中图分类号：TU7文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
1 我国水处理药剂发展面临的机遇
1.1 节能减排、清洁生产和水循环利用的需求
水资源贫乏且重复利用率低一直是我国面临的一大难题，尤其是近年来随着国民经济的迅速发展，用水量急剧上升，水污染加剧，水资源短缺问题日益突出。据有关资料显示，2010 年，我国工业用水量约 1400 亿 m3，其中约 70% 的工业用水为工业冷却用水。为了节约冷却水，工业上普遍采用循环冷却水系统，使冷却水重复使用。但在循环冷却过程中，由于溶解盐类的浓缩及大量溶解氧、尘土、孢子和细菌，致使循环水水质恶化。此外，冷却水在不断循环使用过程中，使循环水系统容易产生腐蚀、结垢、菌藻以及微生物黏泥等问题。为了有效地控制上述危害，需要对工业冷却水进行高浊度、高硬度、高碱度处理，而利用水处理药剂处理冷却水是目前广泛使用的方法。
1.2 环境标准不断提高带来的新需求
为改善我国流域水环境质量，必须根本扭转“有河皆干、有水皆污”、湖泊富营养化严重、水华暴发等局面。近年来，我国重点污染防治区的地方政府相继大幅提高了地方水污染排放标准。“十二五”期间，滇池、巢湖、太湖等重点流域城镇污水处理厂进一步提高脱氮除磷水平。环境标准的不断提高为新型环保水处理药剂的研发指明了方向，为水处理药剂的再次飞跃提供了新的契机。
1.3 水环境质量改善的需求
《国家环境保护“十二五”规划》提出，“十二五”期间，将在控制 COD 的基础上，将 NH3-N 作为水污染物总量控制的约束性指标，这对流域水污染防治提出更高的要求。太湖、滇池和巢湖等重点流域在加强对主要污染物排放量进行控制的同时，降低入湖 TN、TP 等污染负荷，改善流域水质。但目前我国工业水处理中常用的缓释阻垢剂仍以磷系为主，主要品种有: 聚磷酸盐、磷酸酯、有机多元膦酸等，全国每年用于缓释阻垢剂生产的磷有 10 万 t。这些磷化合物最终进入水体，造成湖泊水体富营养化，水华暴发，发生海水赤潮等，严重破坏生态环境。因此，研究开发新型的低磷或无磷、无毒、可生物降解的绿色环保水处理剂势在必行。
1.4 国家水体污染控制与治理科技重大专项的实施带来巨大机遇
根据我国流域水环境质量管理演变的规律和研究成果，现阶段我国水环境管理正经历从总量控制向流域水质目标管理全面转变。国家水体污染控制
与治理科技重大专项的实施，将构建我国流域水染控制与治理技术体系和流域水环境综合管理技术体系，这为新型高效环保水处理药剂的研发提供了前所未有的科技支撑条件，为水处理药剂发展的再次飞跃搭建了科技平台。
2 环保型水处理药剂的应用现状
2.1 环保型缓蚀剂
环保型缓蚀剂主要包括钼酸盐类缓蚀剂、硅酸盐类缓蚀剂、钨系缓蚀剂、天然型缓蚀剂、微生物缓蚀剂等。缓蚀剂技术作为一种经济、有效而通用性强的金属防腐蚀方法，已在石油、化工、电力、能源等工业部门获得广泛的应用。自从 1860 年英国宣布了第一个缓蚀剂专利，缓蚀剂经历了从无机共聚物到有机共聚物，从高磷、低磷到无磷，由单一使用到复配使用的发展历程。为了减轻缓蚀剂对环境的危害，国内外对环保型缓蚀剂进行了广泛的研究。
2.2 环保型阻垢剂
环保型阻垢剂主要包括天然阻垢剂、有机磷酸酯类阻垢剂、有机膦酸类阻垢剂、马来酸酐类共聚物、烷基环氧羧酸类阻垢剂、聚环氧琥珀酸( PESA) 、聚天冬氨酸( PASP) 。阻垢剂通过对水中金属离子的螯合、对微晶的吸附分散和晶格畸变等作用，阻止水中致垢盐类在设备表面沉积。阻垢剂正向应用药剂的复合化(既能充分发挥单一药剂突出的性能，又能弥补单一药剂结构上的缺憾，可适当降低有效药剂的含磷量)，单一药剂的无磷或低磷化、非氮和可生物降解的方向發展。
2.3 环保型杀菌剂
环保型杀菌剂主要包括二氧化氯、溴类杀菌剂等氧化性杀菌剂，异噻唑啉酮、戊二醛戊二醛等非氧化性杀菌剂，季铵盐，复合非氧化性杀菌剂等。水处理杀菌剂是能抑制水中菌藻和微生物的滋长，防止形成微生物粘泥而对系统造成危害的化学药品。杀菌剂正向无氯或低氯化、安全低残留、低至突变、复合效率高等的方向发展。
2.4 环保型絮凝剂
环保型絮凝剂主要包括聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚合硅酸铝等无机高分子，聚丙烯酰胺、聚胺、聚合季铵盐等有机高分子絮凝剂，微生物絮凝剂，多元复合絮凝剂等。絮凝剂主要包括无机絮凝剂、有机絮凝剂和微生物絮凝剂等，经历了原始天然产物絮凝剂→传统无机絮凝剂→无机高分子絮凝剂→合成有机高分子絮凝剂→天然有机高分子絮凝剂→微生物絮凝剂的发展历程。万俊杰等研究出 A3 菌产絮凝剂处理靛蓝废水在最佳公益条件下的脱色率达80%; 贾大伟等研究了3 种复合絮凝剂的处理效果，其中，PAC + PDADMAC 复合投加对册田水库水的浊度、色度、TOC 具有很好的去除效果，去除率分别高达 93%，90%和 71%。
3 新型环保型水处理药剂的发展方向
创新是水处理药剂可持续发展的原动力，绿色化是未来水处理药剂发展的方向，开发研制适合我国环境保护要求的低磷、非氮、可生物降解、无毒无害、低成本的绿色水处理药剂，将成为我国未来水处理药剂发展的方向。
3.1 有机高分子絮凝剂及多元复合絮凝剂
近代混凝理论创新可划分为 3 个主要发展阶段: 继早期 Schuldz-Hardy 规则根据经典胶体化学的Guoy-Chapman 双电层模型建立的 DLVO 理论、网扫絮凝模式( sweep coagulation) 、吸附架桥模型( bridgemodel) 。混凝理论认为混凝过程中主要存在压缩双
电层、吸附电中和、黏结架桥和卷扫絮凝 4 种机理，这为絮凝剂由传统无机絮凝剂发展为环保型无机高分子絮凝剂奠定了理论基础。不同理论所对应的药剂分类详见表 1。
表 1 混凝过程中不同理论所对应的药剂分类
近年来，随着有机高分子絮凝剂的吸附架桥、吸附电中和、聚合物-颗粒物表面络合物形成的耗散絮凝( depletion flocculation) 等机理的形成，以及对聚电解质络合絮凝机理和吸附胶束絮凝等难降解有机物强化絮凝机理的研究，为有机高分子絮凝剂及多元复合絮凝剂的研制和应用提供了理论基础，一批新型高效环保型有机高分子絮凝剂及多元复合絮凝剂得以研制，实现了水处理药剂的新突破。
3.2 绿色水处理药剂
1992 年，里约热内卢联合国环境与发展大会提出了“绿色科技”的概念。1995 年 3 月 l6 日，美国总统克林顿宣布设立“总统绿色化学挑战奖”，首先提出了“绿色化学”的概念。随后，Anastas 等提出了绿色化学的 12 条基本原则，即①防止废物的生成，比让其生成后再处理更好; ②设计的合成方法应使生产过程中所采用的原料最大量地进人产品中;③设计的合成方法中，原料、中间产物和最终产品均应尽可能对人体健康和环境无毒、无害( 包括极小毒性和无毒) ; ④设计的化工产品必须具有高效的功能，同时也要减少其毒性; ⑤应尽可能避免使用溶剂、分离试剂等助剂，如不可避免，也要选用无毒无害的助剂; ⑥设计的合成方法应适应常温常压; ⑦在技术可行和经济合理的前提下，采用可再生资源代替消 耗 性 资 源; ⑧ 尽 量 不 用 不 必 要 的 衍 生 物( derivatization) ，如限制性基团、保护/去保护作用、临时调变物理/化学工艺; ⑨合成方法中要采用比使用化学计量( stoichiometric) 助剂更优越的高选择性催化剂。绿色水处理药剂的发展经历了由天然
高分子绿色水处理剂到人工合成型高分子绿色水处理药剂的过程。常见的天然高分子绿色水处理剂有木质素、淀粉、丹宁及衍生物等。人工合成型高分子绿色水处理药剂主要有烷基环氧羧酸盐、聚天冬氨酸和聚环氧琥珀酸类。研制具有高阻垢性能、良好生物降解性、无毒、无磷或低磷的新型绿色水处理药剂是 21 世纪水处理药剂发展的方向。
3.3 多元复合水处理药剂
多元复合水处理药剂是一类具有一剂多效的水处理药剂，如聚硅酸与铝盐复合絮凝剂，就是一类新型无机高分子混凝剂，是在活化硅酸(即聚硅酸) 及铝盐混凝剂的基础上发展起来的聚硅酸与铝盐的复合产物，同时具有电中和作用和吸附架桥作用。该类混凝剂具有混凝效果好、价格便宜、处理后水中的残留铝量低等优点。又如聚卤代醇噻啉季铵盐絮凝剂，具有絮凝能力强的特点，特别适用于选矿作业中矿石与水的分离，同时还具有一定的杀菌和缓释作用。多元复合水处理药剂一剂多效的特点，吸引越来越多的研究者从事其制备工艺的研究及应用开发。
3.4纳米材料、微生物絮凝剂等新型高效水处理药剂
纳米材料具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，作为一种新型高效水处理药剂而被寄予厚望。目前，采用纳米 TiO2光催化降解毒害有机物、碳纳米管改性去除重金属等的研究已取得突破性进展，为纳米材料水处理药剂的研发开创了先例。
总之，在混凝理論不断创新的坚实基础上，水处理药剂将向绿色水处理药剂、多元复合水处理药剂和纳米材料、微生物絮凝剂等新型高效水处理药剂的方向高速发展。
参考文献:
［1］吴兵，徐瑞银，何绪文，等． 用于循环冷却水处理的新型阻垢剂的合成及性能研究［J］． 环境工程，2009，21(5).
［2］吴宇峰，曾凡亮． 绿色化学品与无磷阻垢缓释剂［J］． 化工时刊，2010，19(7).