聚焦水处理：新型绿色阻垢剂与多功能絮凝剂

——天津科技大学化工与材料学院王小聪研发团队

　　阻垢剂，是具有能阻止或干扰难溶性无机盐在金属表面沉淀、结垢的功能，并维持金属设备有良好的传热效果的一类药剂。随着工业循环水的处理需求增加，阻垢剂的市场规模逐步扩大。但从实际的使用来看，含磷阻垢剂依然是市场的大宗产品，离绿色水处理剂还有一定的差距，研发新型无磷绿色阻垢剂至关重要。

　　任何事物都是矛盾的统一体，在水循环过程中，我们添加阻垢剂，不希望絮凝的发生，但在污水处理方面，我们又迫切希望絮凝过程快速发生，添加絮凝剂是目前污水处理工艺中应用最为广泛的、不可或的关键环节。然而。目前市场上使用的絮凝剂均为一次使用絮凝剂，开发可重复利用的絮凝剂，符合可持续发展战略。

　　新型绿色阻垢剂——为水循环而生

　　天津科技大学化工与材料学院王小聪研发团队成功构建了一类新型绿色阻垢剂—羧基碳量子点(即表面富含大量羧基的碳量子点)。这种新型阻垢剂分子组成简单，仅含C、H、O三种元素，即表面富含羧基的碳量子点。但实验结果却令人惊喜，实践和科学数据表明：该类新型阻垢剂对主要的无机盐垢均具有高效阻垢性能，采用国标和行标测试，该类新型阻垢剂对常见垢体碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶等均能达到100 %阻垢率。

　　无论哪种阻垢剂，性能和成本都是应用推广的重中之重，与传统的阻垢剂相比，该类新型阻垢剂，具有制备简单、价格低廉、无磷无氮、环境友好、生物相容等优点。

　　团队对该类新型绿色阻垢剂的产业化应用极为谨慎和重视，并为此进行了大量的实用化研究，对不同浓度的羧基碳量子点进行了对比实验。在模拟列管式换热器中的结垢过程，挂片30天后的钛管照片显示：空白实验的钛管上面结上了一层致密的硫酸钙垢;加入3ppm阻垢剂的卤水挂片30天后的钛管的结垢量明显少于空白对照实验的结垢量;加入4 ppm阻垢剂的卤水中挂片30天后的钛管表面焕然如新，显示出极好的缓蚀阻垢效果。

　　40℃下的钛管照片: (a) 空白; (b) 加入3 ppm的羧基碳量子点; (c) 加入4 ppm的羧基碳量子点。

　　实验结果与团队的预估较为一致，但科研需要增加更多的思考。这一次，团队将目光放在了海水淡化领域。众所周知，海水淡化可有效解决水资源短缺的问题，是实现水资源利用的开源增量技术。但在海水脱盐的反渗透系统中，膜结垢问题严重影响系统的正常运行，值得关注的是，现有的反渗透膜阻垢多为进口产品，价格昂贵，极大的提高了海水淡化的成本。

　　当新型绿色阻垢剂研发成功后，王小聪团队就在钛管实验的基础上，进一步研究该类阻垢剂在反渗透海水淡化阻垢系统的应用，相关的研究工作仍在进行中，初步的结果显示该类阻垢剂非常适用于反渗透海水淡化过程。现有的数据，对提高海水淡化质量，降低淡化成本，意义重大。

　　现有的实验室研究和小试试验的结果证实该类新型绿色阻垢剂(羧基碳量子点)在水冷系统、海水淡化、采油输油、石油化工等领域具有广泛的应用前景。相关技术已获国家发明专利(专利号：ZL201710571273.5)，相关论文发表在国际权威期刊(ACS applied materials and interfaces，2019, 11(9): 9277-9282. 影响因子10.383)上。值得一提的是，该项目获得了2021年第十六届“挑战杯”天津市大学生课外学术作品竞赛特等奖。

　　复合絮凝剂——污水处理的“灵丹妙药”

　　污水，一个无法避免的词汇，只要生产、生活在继续，污水的问题，就会存在，污水处理就会成为深受全社会关注的问题。作为水处理领域的科研团队，王小聪研究团队在关注水循环的同时，也在关注着污水处理。

　　其实，污水处理的问题，不是最近几年的热点，而是近一个世纪以来的关注焦点，在社会进步的过程中，污水处理的方式也经历了诸多的变化，比如，向活化硅酸中复合某些金属阳离子，如铁离子、锌离子、铝离子、镁离子等，改善聚硅酸的结构，提高水处理性能;引入硼、铁、锌等元素，改善传统聚硅酸絮凝剂无电中和能力，不稳定，易发生自缩聚而失效的弊端。

　　最近几年，絮凝沉降法是水处理过程中应用最为广泛的一种方法，该方法通过向废水中投放一定量的絮凝剂，形成胶体微粒，吸附污水中的悬浮颗粒，裹挟污染物团聚成较大絮体，沉降后与水体分离，从而达到净水的目的。但絮凝沉降以后，废渣与水的分离成为一大难题，此外，聚硅酸盐絮凝剂没有分解水中有机废物的功能，势必导致废渣中有机毒物成分依然存在，容易带来二次污染。

　　为解决这一问题，王小聪研发团队在聚硅酸盐絮凝剂基础上，引入了具有光催化活性的介孔二氧化钛和具有磁性的纳米四氧化三铁。研发了具有磁性和具有光催化活性的含硼聚硅酸硫酸铁锌复合絮凝剂(见下图C)。该复合絮凝剂中，介孔二氧化钛可以快速分解吸附的有机物，而磁性的引入，使得废渣能够快速彻底地从水体中分离出来，不仅避免了二次污染，而且为絮凝剂重复利用创造了条件。

　　新型絮凝剂在油墨废水中的使用: (a)油墨废水; (b) 含硼聚硅酸硫酸铁锌复合絮凝剂; (c) 含硼聚硅酸硫酸铁锌复合絮凝剂-四氧化三铁。

　　该类复合絮凝剂，可以针对水处理的不同需求和目的，以含硼聚硅酸硫酸铁锌复合絮凝剂、介孔二氧化钛和纳米四氧化三铁中的两者任意组合形成二元复合絮凝剂，或者三者组合形成三元复合絮凝剂，满足不同种类废水处理的要求，高效使污水变清澈。在生活污水、油墨废水、印刷废水和有机废水中均具有广泛的潜在应用价值。

　　相关技术“多功能聚硅酸盐絮凝剂及其制备方法和应用”已获得国家发明专利授权(专利号：ZL201810234273.4)。

　　由于缺少研发经费，团队一直以在校本科生作为主要研究力量，该项目的相关研究论文就是以本科生为第一作者发表在水处理领域的权威期刊(Journal of Water Process Engineering, 2021, 40: 101899, 影响因子 7.340)。

　　因此，团队希望寻求阻垢剂生产厂家和絮凝剂生产厂家的合作，授权转化团队的相关专利，快速推进新型绿色阻垢剂及复合絮凝剂的产业化应用，从而形成科研与市场相结合的良性运作模式。

　　这样的合作方式，既可以改善研究经费不足的情况，将更多的精力放在深度研发领域，又可以推动技术成果转化，为水处理做出更多的贡献。