2018年10月26日，第二屆高濃度難降解廢水處理創(chuàng)新技術(shù)論壇于鹽城召開。中國(guó)工程院院士、中科院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員曲久輝于會(huì)上做題為《電化學(xué)微場(chǎng)構(gòu)造及廢水資源化能源化新方法》的報(bào)告。報(bào)告圍繞化學(xué)-物理耦合水處理方法、電化學(xué)方法的缺陷與改進(jìn)策略以及傳統(tǒng)廢水處理與新思路的差異等展開。

中國(guó)工程院院士、中科院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員曲久輝

前言

高濃度難降解廢水處理創(chuàng)新技術(shù)論壇已經(jīng)舉辦了兩屆(相關(guān)鏈接：曲久輝院士領(lǐng)銜，各路專家云集，高濃度難降解廢水處理專題研討會(huì)于鹽城隆重召開)，我也是第二次站在這個(gè)論壇上發(fā)表演講。首先，我想以一個(gè)問題開始今天的報(bào)告，那就是廢水處理未來的發(fā)展方向是什么?我認(rèn)為，無論重金屬?gòu)U水、難降解有機(jī)廢水或者有機(jī)-無機(jī)復(fù)合型廢水，最終面臨的問題都是如何實(shí)現(xiàn)資源化和能源化。因此，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們就需要更高效、更可控、更清潔、更綠色的水處理技術(shù)。

化學(xué)-物理耦合水處理方法

目前行業(yè)內(nèi)的水處理技術(shù)主要包括物理方法、化學(xué)方法、生物方法以及電化學(xué)方法。若要開發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)廢水資源化和能源化的技術(shù)，就需要在微觀層面上實(shí)現(xiàn)原理的協(xié)同，并在處理過程中將微觀機(jī)制和宏觀效果結(jié)合起來，達(dá)到技術(shù)目的。電化學(xué)方法在某種程度上是有效的，但因?yàn)槠浜哪艿奶匦?，所以存在貯備規(guī)模受限的問題，如果能將物理和化學(xué)方法耦合到電化學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中，一方面實(shí)現(xiàn)電化學(xué)中的物理現(xiàn)象：物質(zhì)傳遞、熱量傳遞、能量傳遞，另一方面再實(shí)現(xiàn)其氧化還原、吸附沉淀、電子轉(zhuǎn)移的化學(xué)現(xiàn)象，那就有可能構(gòu)造出一種簡(jiǎn)單、高效和微觀機(jī)制表達(dá)的水處理技術(shù)，解決其它方法不能或不易解決的水處理難題。

要做到這一點(diǎn)，我們首先要考慮界面作用。眾所周知，無論氧化還原、吸附沉淀還是電極反應(yīng)，其本質(zhì)都是界面反應(yīng)，在界面反應(yīng)中，又包括著物質(zhì)的傳遞，最終這些物質(zhì)傳遞和化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的新物質(zhì)會(huì)對(duì)反應(yīng)過程產(chǎn)生影響。因此，水中有機(jī)物和重金屬等無機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化和去除多發(fā)生在多相介質(zhì)及其微界面的作用過程，不同的界面構(gòu)造、組成決定了其功能的特異性和有效性，若要實(shí)現(xiàn)微觀調(diào)控，我們就要對(duì)微觀機(jī)制有新的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移和物質(zhì)轉(zhuǎn)移的定量或者定性轉(zhuǎn)化。

現(xiàn)有電化學(xué)方法的缺陷與改進(jìn)策略

現(xiàn)有的電化學(xué)方法中總存在一些問題讓我們產(chǎn)生困惑，比如在宏觀的電化學(xué)反應(yīng)中，電極有效面積再小，活性位點(diǎn)密度也是很低的，導(dǎo)致反應(yīng)器體積大，電流效率低，能量消耗高。為此，人們研究了不少方法，其中一個(gè)比較有效的方法是在電極表面增加缺陷，這種缺陷有可能造成能力上的差別，同時(shí)也能夠在電解反應(yīng)中提供更多的吸附能量和差異，生成一些傳輸?shù)奶厥廛壍溃热珉x子傳輸。此外，若是在這個(gè)反應(yīng)中構(gòu)造一種無序的布朗運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行共軛結(jié)構(gòu)重建，則會(huì)導(dǎo)致電子轉(zhuǎn)移的特殊性。所以人們從離子傳輸和電子傳輸這兩個(gè)角度來考慮界面反應(yīng)以及電極構(gòu)造。

基于此，我們應(yīng)該以微觀構(gòu)造-原理協(xié)同-過程調(diào)控這樣一條總體思路來構(gòu)建最終的廢水處理工藝，以強(qiáng)化電子傳遞和利用效率為核心機(jī)制，在一個(gè)高度凝縮的傳質(zhì)和反應(yīng)空間中，構(gòu)造流-電耦合的微場(chǎng)系統(tǒng)，創(chuàng)建水處理新原理、新方法。

需要解決的問題

1.如何構(gòu)造水中離子或分子與電子傳輸耦合的功能材料

未來環(huán)境發(fā)展的重要技術(shù)無非三個(gè)：材料技術(shù)、生物技術(shù)和信息技術(shù)。在電化學(xué)處理技術(shù)中，材料是核心，因此我們需要一種材料，在電極反應(yīng)中可以強(qiáng)化電子轉(zhuǎn)移，擾動(dòng)水的流動(dòng)過程，造成微流場(chǎng)。這其中的難點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這不是一個(gè)點(diǎn)，而是一種可以控制電子轉(zhuǎn)移的由多點(diǎn)電極反應(yīng)組構(gòu)成的反應(yīng)集群，甚至結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)納米點(diǎn)都是一個(gè)電極，這樣就可以在場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)耦合。

目前我們正在做一個(gè)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，在此項(xiàng)目中就構(gòu)建了這樣一種微觀結(jié)構(gòu)的電極材料。首先在電極內(nèi)部構(gòu)造出一種形似三明治式的結(jié)構(gòu)，有陰極、陽極，然后在陰極和陽極中分別構(gòu)造出一些納米點(diǎn)，然后再加上一些網(wǎng)格或者其他條件，之后當(dāng)水流過這些納米點(diǎn)的時(shí)候，就會(huì)形成微流場(chǎng)。此外，納米點(diǎn)和納米點(diǎn)間的距離是非常小的，水的流動(dòng)以及它所構(gòu)成的微流場(chǎng)也是由納米特性所決定的，這種微觀的傳質(zhì)就造成了電子轉(zhuǎn)移過程更具導(dǎo)向性。

2.物質(zhì)轉(zhuǎn)化、電子傳輸與微場(chǎng)特性的關(guān)系

當(dāng)有了微流場(chǎng)之后，如何構(gòu)造物質(zhì)轉(zhuǎn)化或者核心電子轉(zhuǎn)移是第二個(gè)重要問題。這個(gè)過程和微場(chǎng)構(gòu)造，特別是納米點(diǎn)在場(chǎng)中的分布是有直接關(guān)系的，而難點(diǎn)是怎樣利用納米點(diǎn)形成一種真正能使物質(zhì)轉(zhuǎn)化并且使電子高效利用的一種電極或者反應(yīng)器。事實(shí)上，在陰極構(gòu)造納米點(diǎn)時(shí)，使用一種具有還原特性和循環(huán)特性的納米點(diǎn)是極為重要的，當(dāng)納米點(diǎn)形成時(shí)，它屬于在一定電壓之內(nèi)的陰極納米點(diǎn)，當(dāng)氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)以后，它則在氧化碳和還原碳之間轉(zhuǎn)化，我們需要這種循環(huán)反應(yīng)，形成高效的電子轉(zhuǎn)移過程。

3.水質(zhì)凈化與物質(zhì)回收、能量轉(zhuǎn)化協(xié)同

當(dāng)轉(zhuǎn)移過程實(shí)現(xiàn)后，我們就要考慮第三個(gè)問題：如何實(shí)現(xiàn)物質(zhì)回收和能量轉(zhuǎn)化。這里需要解決的關(guān)鍵問題就是把其中的氧化性物質(zhì)或者高焓物質(zhì)轉(zhuǎn)變成可以回收的能量，把金屬離子或有機(jī)物中的某些有用物質(zhì)回收。但是高濃度有機(jī)廢水或者高濃度重金屬?gòu)U水并不只包含純粹的金屬或者純粹的某種有機(jī)物，它們是各種物質(zhì)的復(fù)合或者多種物質(zhì)共同存在，且相互影響。所以在一個(gè)復(fù)雜的體系當(dāng)中，怎樣進(jìn)行有效的分離是我們要做的事情。

編輯：趙凡