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?，比如離子傳輸。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-電耦合的微場系統(tǒng)，創(chuàng)建水處理新原理、新方法。

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。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，這樣就可以在場中實(shí)現(xiàn)耦合。

目前我們正在做一個(gè)國家自然科學(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。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。

當(dāng)有了微流場之后，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)過程和微場構(gòu)造，特別是納米點(diǎn)在場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。

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廢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。

第四個(gè)問題是當(dāng)材料和微觀機(jī)制都有了之后，如何構(gòu)建一個(gè)可以和功率結(jié)合在一起的高度壓縮的反應(yīng)器。對(duì)于此，穿透式電極是我們思考出的一個(gè)解決方案，穿透式電極不是一個(gè)電極的概念，而是在一個(gè)微納尺度上構(gòu)造一個(gè)一個(gè)的原電池，每個(gè)原電池的厚度在幾微米左右。然后將這些穿透式電極進(jìn)行疊裝，就形成了一個(gè)高度濃縮和高效反應(yīng)的集成反應(yīng)器。

COD廢液目前已經(jīng)成為影響全國環(huán)境的一個(gè)重大問題，僅僅河北省就有290多家專門進(jìn)行COD處理的公司，COD的國控監(jiān)測點(diǎn)也有一千個(gè)以上。所以我們利用這項(xiàng)技術(shù)在COD廢液中進(jìn)行了測試。一個(gè)COD的檢測點(diǎn)大概有將近一噸檢測廢液，廢液中含有的汞、銀、鎘都是有毒物質(zhì)，但其中的銀是可以回收的有價(jià)物質(zhì)。

在實(shí)際工程中我們首先確定了一個(gè)資源化的思路。COD廢液中的六價(jià)鎘還原成三價(jià)的時(shí)候，它才能被沉淀去除，而銀則是變成氧化物或者沉淀物的時(shí)候，才能進(jìn)行分離，因此首先要實(shí)現(xiàn)汞和鎘的分離，然后進(jìn)行銀回收，最后進(jìn)行鎘的去除。

基于以上思路開發(fā)的技術(shù)工藝，首先將廢液進(jìn)行陶瓷膜分離，然后對(duì)氯化銀進(jìn)行加氯，把銀回收，之后把鎘還原，在鎘的反應(yīng)釜里面進(jìn)行鎘的回收和離子交換，最后再把這些重金屬進(jìn)行深度去除。這項(xiàng)工藝最終解決了重金屬廢液的問題，最終效果也很好。我們已經(jīng)根據(jù)此項(xiàng)工藝開發(fā)出一個(gè)單元設(shè)備，目前已經(jīng)在調(diào)試階段。

廢水處理的傳統(tǒng)思路是把液體危廢轉(zhuǎn)化為固體危廢，而新思路則是將其中可以資源化和能源化的物質(zhì)通通加以利用。而要將廢水實(shí)現(xiàn)資源和能源化，需要注意3個(gè)問題。首先，一般具有較強(qiáng)氧化性的物質(zhì)，是蘊(yùn)含著潛在的能量的目標(biāo)物質(zhì)，通過理論上構(gòu)建合適的電化學(xué)體系，可將其潛在的能量收集。二是在氧化還原過程中，控制電子的定向轉(zhuǎn)移過程是實(shí)現(xiàn)能量回收的關(guān)鍵步驟。三是需要合理構(gòu)建電化學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)并調(diào)控電子的定向轉(zhuǎn)移，將目標(biāo)物質(zhì)氧化性轉(zhuǎn)化為電能并加以收集。

最后我認(rèn)為，下一代工業(yè)廢水處理廠一定是無害化與資源化的低耗工廠，是清潔生產(chǎn)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、全生命周期調(diào)控等多重目標(biāo)耦合的工廠。因此，可再生能源的經(jīng)濟(jì)利用、有用物質(zhì)的高值循環(huán)以及廢物零排放將是行業(yè)未來將要面臨和亟待解決的重要問題。

本文根據(jù)曲久輝院士在“第二屆高濃度難降解廢水處理創(chuàng)新技術(shù)論壇”的主旨報(bào)告整理，未經(jīng)本人審閱。

（來源：水工業(yè)市場雜志   原標(biāo)題：曲久輝院士：下一代工業(yè)廢水處理廠一定是無害化與資源化的低耗工廠）