我国水资源极度短缺纳米净水技术将不再是未来的产业

2014-05-12 18:45:00 admin 73
来源:《南方周末》记者 陈怡 / 时间:2009-8-28 8:14:01
  据南方报业网2009年8月27日讯 “如果要看纳米净水处理的实验装置和现场操作,你可能得稍等几天。很久不用,我已经把它们移到了另一个实验室里,估计不经过一番清理和调试,一下子没法儿用。”6月中旬的一天,华东理工大学纳米催化研究室主任陈爱平在电话里告诉希望前去观摩这项技术的记者——七年前,这位长期从事超细材料制备与应用研究的高校教师曾与同事合作研制过一台纳米净水装置。
  对于近年来随着“纳米热”的退潮而多少有些降温、市场需求眼下也还未清晰呈现的纳米净水技术,像陈爱平这样至今仍有兴趣来谈论它的业内人士并不多。记者曾联系上海市纳米技术孵化基地里的三家企业,相关人员都对这个话题没有太大的兴趣,称自家的产品还有待改进。
  然而,自去年年底起,很多城市都陆续加入了自来水涨价的大合唱中。尤其最近两个月以来,包括上海、天津、沈阳、广州、南京等多个大中城市都已经举行了水价上调听证会。一股水费提价的“热浪”正在兴起。水价通涨背后隐含的是我国水资源极度短缺、水质污染严重、处理成本攀升、利用效率低下的现实。
  纳米净水之梦
  全世界现在大约每8人中就有1人无法获取安全的水源。联合国预测,到2025年,全世界将有超过1/3的人口面临严重缺水。工业发展加上气候变化和人口增长的压力,更使水资源问题对于发展中国家变得尤为紧迫。
  在相对滞后和宽松的水资源保护立法下,发展中国家普遍原水质量差。传统的自来水厂采用“絮凝→沉淀→过滤→消毒”的处理工艺,成本高,却无法解决出厂水浊度、嗅味等感官性指标差,有机物、内分泌干扰物去除率低等问题。一些城市的居民反映自来水中有明显的漂白粉气味,据调查,是因为自来水厂使用过量液氯消毒。一位国内自来水厂的工作人员十年前去日本参观时,惊讶地发现日本的原水水质竟比国内自来水厂出厂水的水质还好。
  那天下午的话题——目不可及的介观纳米世界因而在一定意义上寄托一个迫切的梦想。百万分之一毫米,也就是人类头发直径的六万分之一,人类在这一尺度上对物质的操纵就像用各种很小的乐高积木搭建一个超大的彩色模型,理想结构的建立变得相对容易。在水处理中,这意味着可能创造最完美的不同净化材料和结构的组合,达到最好的污染物处理效果。
  过去十年的研究表明,与传统的水处理方法相比,纳米净水占地小,人力和能源消耗少,这使它有可能成为帮助发展中国家乃至全球缓解已经来临的水危机的一个重要途径。
  目前,欧洲、日本和美国正在开发一些诸如从水源中除砷的纳米水处理方法,不少发展中国家也正在向利用纳米技术净水的研究项目投资。
  一个印度、巴西和南非三国科技部之间的南南合作研发项目——IBSA纳米技术项目提出将纳米过滤和超滤膜、偏远和农村地区使用的纳米水净化系统,以及碳纳米凝胶、纳米管和纳米纤维作为三个优先研究领域;南非的西北大学建起一个水处理厂,利用纳米超滤膜清洁一个村庄的含盐地下水,从而产生供给家庭和社区的安全饮用水;在巴西,农业研究公司Embrapa希望利用纳米过滤器开发一种生物消化系统,将灌溉用水清洁成饮用水。同时,它还在开发磁性纳米颗粒用于处理被杀虫剂污染的水;中东虽然在接受纳米技术方面落后于其他发展中国家,但情况也正在改变,沙特政府正在资助先进的实验室研究纳米水处理技术。阿卜杜勒·阿齐兹国王科学技术城有一个与IBM合建的纳米技术中心,研发用于海水淡化的纳米膜。
  雷声大,雨点小
  但在中国,它似乎长期停留在“雷声大,雨点小”的状态。国家科技部的最新研究报告表明,在这个行业,多数企业只是把“纳米”概念作为一个幌子,以提升企业知名度;一些地方政府则为了政绩,通过行政手段实行简单的“拉郎配”。“目前市场上使用‘纳米’概念的净水器很多,但真正意义上用纳米科学的原理来净水的恐怕并不多。”陈爱平说。他给记者举了个例子:用于污水处理的纳米吸附剂由许多纳米颗粒堆积成的块状材料填充到一个吸附塔之类的反应器里构成。块状材料有大孔(直径大于50纳米)、中孔(直径介于2纳米到50纳米之间)和微孔(直径小于纳米)等孔道结构,材料的比表面积(纳米材料的外表面积与内表面积之和/重量)越大,吸附效果就越好。由于水中的污染物种类非常复杂,吸附剂的大、中、微孔相应需要有一个比较好的比配,对于纳米颗粒成型的块状吸附剂填料的结构也有一定的要求。最好的吸附剂是各种大小孔道的数量匹配和结构架设都比较好的。
  在陈爱平的实验室里,记者看到了尘封已久的纳米二氧化肽光催化饮用水净水瓶样品,它由自来水储水瓶、多孔陶瓷粗滤芯、负载在螺旋弹簧状载体上的纳米光催化剂净水柱、活性炭净水柱、矿化柱以及净化水储罐等组成。
  陈爱平告诉记者,2002年的时候,他与合作者曾找到家用净水设备“水管家”的生产商——上海复旦申花净化技术股份有限公司,希望在厂家原有产品的一系列水净化环节中加入他们设计的光催化环节,以取代原产品中的一个“紫外消毒柱”,以提高杀菌灭毒效率,同时降解水中各种有机污染物和还原重金属离子。“厂家认为我们提供的光催化剂还是有实际效果的,但如果照我们的设计,每台机器的成本就要增加150元,占到整台机器售价的百分之十左右。另外,由于纳米材料是负载在一个玻璃弹簧填料型的载体上,考虑到保证催化剂作用的正常发挥,我们没有使用高温灼烧或粘合剂等纳米光催化剂的负载化技术,所以光催化剂颗粒在水流的长期冲刷下,有一些脱落,该技术最后还是没有被采用。”
  属于未来的产业
  这个没能走出实验室的产品折射出纳米净水处理技术的应用推广在现阶段中国面临的两大争议——高投入的性价比以及安全保障问题。
  其实不仅是在纳米净水领域,整个纳米行业都面临同样的问题。如果不对技术效果有高要求,已有的技术确实也马马虎虎够用。比如家用净水器,目前基本上是使用活性碳加臭氧来吸附异味和异物,进行杀菌、消毒,新型的纳米净水剂固然具有10~20倍的吸附能力。但在人们的直观感受中,这种超高精度的处理似乎超出了日常生活的需要,或者说,在当代风险重重的人造系统中,人们并不认为仅靠100%的纯净水就可以保障绝对的健康。陈爱平认为,纳米产业属于未来产业,当前市场需求度低是产品成本无法下降的一个主要原因。
  除了纳米二氧化钛光催化氧化技术和纳米吸附材料,纳滤膜技术是进行大规模污水处理的一种重要手段。20世纪70年代,以色列海水淡化工程公司将介于反渗透与超滤之间的膜分离称为“杂化过滤”,美国的一家膜技术公司根据相应膜的残留相对分子质量和膜孔径尺寸大约为一至几个纳米的特征,将这种膜技术称之为纳滤。它在饮用水软化、有机物脱除、受污染地下水处理、含金属废水处理和造纸废水处理中都能够发挥巨大作用。据悉,由韩国世韩公司生产的纳滤膜在中国进行的饮用水处理实地测试和在伊朗进行的海水淡化测试都已证明,使用纳滤膜需要的能源可以少于逆渗透技术。
  创新与风险
  除了直接经济效益的制约外,另一个抑制纳米净水技术成果转化的因素,是多年来学界和社会关于纳米技术所含风险的争论。全世界的科学家正在调查纳米颗粒对各种生命形式的影响。有人担忧它们的小尺寸意味着它们可能很难控制,可以通过不同的屏障并到达诸如人的大脑和心脏等敏感器官,并且很难从人体内清除,因而,接触纳米材料——在水处理厂操作它们或饮用了处理后的水中的纳米材料——其潜在的风险不容忽视;有人担忧纳米颗粒增强的活性使它们具有更大的毒性,也可能更容易逃逸到环境中,破坏水、陆环境并影响动植物。
  伦理学者引用德国技术伦理学家胡比希曾经的描述——“政治家想达到技术的目的,工程师想达到技术指标,消费者想达到技术的功能,无人对技术的恶用负责,出现问题也互相推诿”,以此要求对利用纳米技术进行水处理的潜在健康和环境风险进行更多的研究,并厘清技术应用中的责任关系,依据法律来追究肇事者的责任。但即使是在立法相对细化的美国,其立法也是根据传统的安全标准和对其进行监控的能力进行的。美国环境保护署的前助理行政官特里·戴维斯说:“我们没有任何关于空气中或水中纳米粒子的参考标准,对含有纳米粒子的东西已做了一些抽样检验,但目前仍不清楚应该监控些什么。在水中,仍不能检测出纳米粒子……即便这些东西可被测量,也没有人知道如何控制它们。”2007年初,作为英国政府顾问机构的科学技术委员会发出警告:对纳米材料毒性及其对健康与环境影响的实际研究远比承诺的要少,并认为迫切需要编制一个战略性计划以支持此项研究。美国虽然已由政府主导,在纳米技术对EHS(环境Environment、健康Health、安全Safety的缩写)的影响研究上投入了1100万至6000万美元的巨额经费,但至今没人能够确切地说出这笔钱究竟办了些什么事情。瑞士再保险公司是世界上最大的保险公司之—,他们也承认目前保险公司在这方面还不具备足够的风险评估能力。
  技术创新的鼓舞和技术风险的困扰如同一匹马身上的两根缰绳,让纳米技术在水处理问题上尤其进退维谷。未来最需要纳米净水技术的可能还不是城市高档小区的居民,而是住在水源稀少的地带或卫生条件落后的城市贫民区、没有其他途径可获得安全水源的人们。他们受教育程度的相对落后,对新技术的掌握能力可能比较困难,要一个地区接着一个地区地帮助、指导他们合理使用新技术,也不是一项简单的工程。