近100年特别是20世纪后半段以来，工业发展带来的环境污染已严重威胁着人类的生存环境，以及全球社会的可持续发展。环境保护也成为当今世界最为关注的热点问题之一[l]

　　造成全球环境污染的原因是多方面的，但其中最重要的原因是人类发展工业走的是“先污染，后治理”的道路。其中化工污染造成严峻的环境问题是相当主要的；由于化工产品使用原料和生产方法的多样化，带来了废弃物的多样化。尤其自石油化工发展以来，大型联合企业排放废弃物种类多，数量大。这些化工“三废”有害物质进入环境造成环境污染，所排放出的多样化的污染物影响到人类生产和生活的各个方面，破坏生态平衡，威胁人和自然环境，使人类受害，生物受害，带来了难以挽回的巨大损失。

　　1水污染及水资源危机

　　1．1水污染

　　水是环境问题的焦点，也是生态环境中最活跃的因素之一。近几十年来高投入，低产出，粗放型发展生产的方式所造成的我国水污染日趋严重。据l990年调查统计，全国废水年排放量达3．54x1010t，其中工业废水占2．49x1010t，而且废水处理率很低。到2000年全国工业废水年排放量为4．8x1010t，其中化工废水约l．0×1010 t，占全国工业废水排放量的l／5，是全国第二个水污染大户[1]。一些中小型精细化工行业的废水，成分复杂，COD浓度高、色度深、毒性大，内含有不少难以生物降解的物质，从而引起的水污染尤为突出。

　　全国各大水系中，已有近一半河段遭到严重污染，86％的城市河段水质超标，城市地下水质不断恶化，l／3的井水质污染超过饮用水规定的标准，淮河每年接纳废水达2．4×109t以上。成为我国中原地区最大的排污沟。太湖也在告急，富营养化问题严重，该流域70％已降为三类水质(10年前70％为二类水质)，长江是江苏省唯一可用的饮水源，但有的地段油类、酚类等有毒物质含量已出现超标现象。随着乡镇企业的迅猛发展，水污染已从城市向农村蔓延。

　　水污染可以按照工业污染的来源分类，即分为食品工业污染、化学工业污染、金属制品工业污染、钢铁工业污染。如果按其污染的性状，水污染可分为物理、化学、生理学、生物学和放射性等五类。据统计，全球每年有4200亿立方来的污水排入江河湖海，使5．5亿立方米的淡水受到污染，已有近两万亿立方米的污水排入人类饮用的水源和地下水囝，对人类健康造成严重的威胁。

　　我国工业发展和生活用水的污染更是触目惊心。长江干流仅工业废污水排放量就有63亿吨。湖北沿线的75个排污口，每年将未经任何处理的2．9亿吨污水排入长江，长江的支流污染更为严重，全国评价的700多条重要河流中，有近50％的河段，90％以上的城市沿河水域遭到污染。全国年排放废污水总量近600亿吨[2]。

　　1．2水资源危机

　　我国是一个水资源十分短缺的国家，占世界第六位。人均水资源仅占世界平均水平的1／4，为全球l3个贫水国之一。

　　经专家计算，我国多年平均地表水资源量为27115亿立方米，多年平均地下水资源为8288亿立方米。中国是世界上用水量最多的国家，l993年全国淡水取用量达5255亿立方米。我国人均水资源量为2300立方米，到2030年人口高峰将达到l6亿t时，人均水资源占有量为1700立方米，将接近或达到世界公认的用水警戒线[2]。

　　在20世纪末，专家们不断发出警告，整个地球面临缺水的严峻局面。l977年联合国《水会议》就已发出警告“水不久将成为一个深刻的社会危机，继石油危机之后的下一个危机便是水”。专家们指出，目前全球每年有l200万人死于缺水，有l3亿人缺少安全可靠的饮用水，未来25年中将有30亿人面临严重缺水的局面。全球范围内的供水危机已经成为21世纪各国政府在制定政治、经济、环境和社会发展目标时首要考虑的课题。因此，我们必须唤起全国人们珍惜水、节水。防治污染，必须保护好人类生存的生命源。

　　浪费、污染、水分配不均、农田大量灌溉是全球水危机的根本原因。我国是严重的缺水大国，在40多个严重缺水国家中居前列。国家经济发展迅速，工业高速增长，人口城市化进程加快，国家能投入环境保护的资金有限，使我国以单位国民生产总值的污水排放量计，要比发达国家高得多。因此，我们必须认真开展工业废水和城市污水的治理工作，加大节能减排的工作力度、防治污染、综合利用，以人为本，进一步发挥工业表面活性剂在水处理开发中的应用范围，为人类造福。

　　2水处理剂在工业节水与废水资源化开发中的应用

　　2．1 工业节水的重要性

　　水是人类生存和工农业生产领域中极其宝贵的资源。目前，随着世界工农业生产的尹速发展，工业用水量日益增多；城市人口高度集中，淡水供不应求。因此，积极寻找与开发淡水资源，合理利用工业水，大力开展节约用水，是世界各国当务之急。

　　世界各国每年需要工业用水量已超过l万亿吨，工业用水占总用水量的80％左右，而冷却水又占工业用水80％以上。许多工业部门需要的工业冷却水数量很大，如冶炼一吨钢用水量为200吨；一吨合成氨需480吨水；一吨人造纤维需l200～1800吨水；一吨合成橡胶需2750吨水嘲。如果将直流冷却水改为循环冷却水，提高水的浓度倍数，就可以大量节约用水量。

　　循环冷却水，由于水中的矿物质不断增加，往往混入一些二氧化硫、硫化氢等腐蚀介质及菌、藻类、泥沙等杂质，因而锅炉、凉水塔、换热器、贮槽及管道等，经常结成硬垢、软垢、淤泥和苔藓等杂质。为了减少金属腐蚀，提高设备利用率，节约能源、水源，防止环境污染，达到文明生产目的，在循环冷却水中，需要添加各种优良的水处理剂。工业用水的处理方法，可分为物理处理，化学处理和生物处理法。为了满足工业用水，城市用水和废水处理的需要，水处理剂的产量、品种及产值将有迅速增长。

　　2．2水处理剂的主要品种

　　针对不同对象(不同用户)、不同要求，而选择适宜的药剂或复配药剂，组成最佳水处理的配方，这种药剂称其为水处理剂，其相应的配套处理的技术对水质进行处理，使水质达到符合要求的标准，这一过程即称为水处理技术。

　　水处理剂是精细化工产品中的一个主要门类，具有很强的专用性。例如，城市给水处理是以除去水中的悬浮物为主要对象，使用的药剂主要是絮凝剂，．锅炉给水处理主要解决结垢腐蚀阿题，使用药剂为阻垢剂、缓蚀剂、除氧剂；冷却水处理主要解决腐蚀、结垢和菌类滋生，采用的药剂为阻垢剂、缓蚀剂和杀菌灭藻剂；污水处理主要是除去有害物质，尤其是重金属离子，除去水中的悬浮体和脱除颜色，所使用的药剂主要为絮凝剂、螯合剂等。

　　水处理剂及其应用技术对保证工业生产的高效、安全和周期运行；对增加产量，提高质量；对节水、节能、降耗及环保等方面都具有重大现实意义。

　　2．3水处理剂和表面活性剂的关系

　　水处理剂和表面活性剂同属于新领域精细化学品，两者关系十分密切。许多表面活性剂在水处理中直接作为主剂，如用作缓蚀剂、阻垢剂和杀生剂；另一类作为水处理剂助剂，表面活性剂更是不可缺少的成分，如用于配制复合配方的清洗剂、消泡剂等；某些水溶性聚合物在水处理剂中属于重要品种，其分子结构和功能表现与表面活性剂有许多相同或类似之处，如分子双亲结构，其分散、凝聚、螯合、吸附等功能是水处理剂发挥最终功效(如缓蚀、阻垢、杀菌等)的关键所在。

　　在水处理剂中用量最大的是表面活性剂，其中用得最多的是高分子表面活性剂，并将当前水处理用的水溶性聚合物直接归类于高分子表面活性剂。主要用作循环水的絮凝剂和阻垢分散剂。

　　2．4各种水处理剂在工业节水与废水资源化开发中的应用

　　2．4．1高分子絮凝剂(SAA品种)

　　絮凝剂沉淀法是目前国内外普遍采用的既经济又简便的水处理方法之一，其原理是利用净水剂使溶液中的溶质、胶质或悬浮颗粒产生絮状沉淀而使污水达到净化的方法。从来源上看，有机净水剂可分为合成有机高分子净水剂，天然有机高分子净水剂和微生物净水剂三类。与无机净水剂相比，有机高分予净水剂对无机物和有机物净化效果好，具有用量少、成本低、絮凝速度快，毒性小，受盐类和体系pH及温度影响小。产生污泥量少且容易处理等优点，成为净水剂研究和开发的重点。合成高分子净水剂有阳离子、阴离子和非离子型三种。目前应用于水处理中的高分子絮凝剂，大多数是高聚合度的水溶性有机高分子聚合物或共聚物，如用作絮凝剂的高分子SAA品种。其分子中含有许多能与胶粒和细微悬浮物表面上某些点位发生作用的活性基团，相对分子质量在数十万至数百万。为充分发挥絮凝剂的吸附连接作用，应使它的长链伸展到最大限度，同时让可离解的基团达到最大的离解度且得到充分的暴露，以便产生更多的带电部位，并与微粒有更多的碰撞机会。

　　当接枝型高分子表面活性剂的相对分子质量较高时，具有絮凝作用，分子中极性基团吸附于许多固体粒子上，在粒子间产生架桥作用，从而形成絮凝物。聚合物相对分子质量愈大，极性基团愈多，絮凝能力就愈强。为了提高絮凝效果，还必须根据废水中胶体和细微悬浮物的性质和浓度，正确地控制絮凝过程中的工艺条件，使絮凝效果能提高数倍。

　　聚丙烯酰胺(PAM)是非高分子型高分子表面活性剂，国产高分子净水剂仍以非离子和阴离子型聚丙烯酰胺为主。用作絮凝剂的PAM的相对分子质量为300万～500万。水处理剂的3／4是絮凝／凝聚剂，其中PAM占一半，年用量约为6万t。生产丙烯酰胺(AM)的原料是丙烯腈(AN)，生产方法有两种，目前国内主要用化学法，即丙烯腈在骨架铜催化下，水合成生成AM，效率88％；另一种是生化催化法，丙烯腈通过生物酶催化生成AM，效率94．5％，现已进入千吨级生产运行，技术已达到国际水平，世界上只有日本、俄罗斯和中国有这种技术，日本、俄罗斯已具备超万t级装置。

　　阳离子型聚丙烯酰胺是目前世界上发展最迅速的水处理剂之一。它不仅可以通过电荷中和与吸附架桥作用使悬浮胶粒絮凝，而且还可与带电荷的溶解物作用，生成难溶性盐，不论相对分子质量大小，均有较好的絮凝作用，因此该类有机高分子净水剂的应用越来越广，新品种的开发势头不减。

　　胺甲基化聚丙烯酰胺是发展较早的阳离子品种，但是目前大多数高相对分子质量的阴离子絮凝剂都是由一些阳离子单体与丙烯酰胺共聚而成的，甲基丙烯酸二甲胺乙酯氯甲烷盐与丙烯酰胺共聚(DMC--AM)，在日本、美国就进行了大量生产。共聚型阳离子聚丙烯酰胺被认为是固体阳离子型聚丙烯酰胺的发展方向。国外这类阳离子型聚丙烯酰胺已占全部聚丙烯酰胺类絮凝剂的60％。我国将该产品逐步形成系列化、规模化。

　　2．4．2天然改性有机高分子化合物

　　在水处理中大量使用天然高分予改性阳离子型絮凝剂。由于天然高分子物质具有相对分子质量分布广、活性基团多、结构多样化等优点，易于制成性能优良的絮凝剂。同时，还由于其原料来源广、价廉、可以再生且无毒，所以这类絮凝剂的开发前景广阔，国外已有不少商品化产品。

　　我国科研人员蒋文新等[4]研究人员以稻壳为原料，经过预处理，与阳离子醚化剂十八烷基三甲基氯化铵反应，制备高效天然改性阳离子絮凝剂，对其进行改性，使其阳离子化，在分子结构中引入季铵基团，制备出一种效果较好的季铵盐絮凝剂RHNF，并对实际废水进行处理，证明它是一种实用的絮凝剂。该产品的制备工艺简单，且无毒，可生物降解。在我国，稻壳作为天然高分子资源，来源极为广泛。易得且价格低。同时该天然改性阳离子絮凝剂具有无毒、价廉、高效、适用范围广和易生物降解等优点。该絮凝剂用于实际废水处理具有很好的絮凝效果，通过对处理生活废水和脱墨废水的考察，发现经它处理后的絮团增大，沉速快，污泥量小，其透光率分别为90．5％、99．5％；当pH=6时，浊度去除率分别可达98．8％，99．7％。

　　甲壳素与壳聚糖是很好的阳离子絮凝剂，能特别有效地除去水中的有害物质，如对汞、铅、锌、铜、铬、钚、铀等金属离子的脱除能力已得到证实，主要用于城市下水、工业废水的活性污泥处理。如用壳聚糖作为高分子絮凝剂处理食品加工废水时，投加量很少(约2～20mg／L)，即可进行废水的有效处理，处理后水的BOD可减少80％～85％。研究表明，壳聚糖对各种食品加工废水处理特别有效。

　　但由于壳聚糖分子内和分子间氢键的作用使它不能溶于一般的有机溶剂和水中，这在某些方面限制了它的推广应用。壳聚糖具有复杂的双螺旋结构，分子结构中有-OH、一NH2基团，均具有较强的反应活性，在适当条件下可进行多种化学改性，利用壳聚糖在碱性条件下与氯乙酸反应生成羧甲基壳聚糖，不仅可以增加壳聚糖的水溶性，而且在印染废水的脱色处理中也取得了很好效果。安忠军纠[5]研究了在催化剂条件下，使壳聚糖与双氰胺发生反应，合成了一种新的有机高分子脱色剂，对模拟混合染料废水取得了较好的脱色效果。该脱色剂对染料废水的脱色率要远远高于壳聚糖与硫酸铝的复配溶液。对上虞污水厂废水的处理效果，其COD去除率比使用PAC提高20％以上。处理成本约0．45元／t。

　　我国天然高分子资源极为丰富，应大力开发甲壳素与壳聚糖在水处理及其他方面的应用。

　　2．4．3生物絮凝剂

　　生物絮凝剂是一类具有絮凝活性的微生物代谢产物。它作为一类高效、安全、无污染的新型水处理剂越来越引起国内外研究工作者的重视。它所表现出的广谱絮凝活性，安全性，絮凝剂产生菌的不致病性以及制备条件简单等特点均显示了它在水处理、食品加工和发酵工业等方面的广阔应用前景。

　　复合型生物絮凝剂(CBF)具有成本低、安全和高效的特点，符合现代生活对高水质的迫切需要。王琴等[6]自行筛选制得的复合型生物絮凝剂，对该CBF的应用和范围进行实验，用其CBF与A1C13、PAC复配处理松花江水，造纸废水、煤气废水时可使絮凝率达到98．6％。CBF与化学絮凝剂联合作用的絮凝效果比单独使用CBF或化学絮凝剂的效果好，并且CBF的用量降低了60％～75％。化学絮凝剂的用量也大为减少，可消除或降低化学絮凝剂的使用给人带来的危害，从环保效益和经济效益来看，CBF与化学絮凝剂复配不仅获得了良好的处理效果、还降低了絮凝剂的总投加量，这对降低环境活性的费用，减少有害物质残高，实现资源综合利用，有着十分重要意义。

　　2．4．4绿色环保阻垢分散剂

　　对于生产过程用水，控制管道系统的腐蚀、沉积物和微生物是冷却水面临的主要问题。一些无机物或有机物(如铬酸盐、锌盐、聚磷酸盐、有机磷酸盐等)已被成功用作冷却水中的缓蚀阻垢剂，但这些药剂对环境存在污染，其使用继续受到限制。近年来，国内外最活跃的两个领域是有机磷酸缓蚀阻垢剂和高聚物阻垢分散剂：有机多元磷酸及其盐。具有化学性能稳定、耐较高温度和较高pH，有明显的溶限效应和协同效益等特点，因此它的出现使水处理技术得到了进步，是目前广泛使用的一类水处理剂，同时开发低磷或无磷的新型绿色阻垢剂已成为国内外水处理剂方面研究的重要课题。近年来相继开发如下新品种：

　　(1) 聚天冬氨酸型

　　聚天冬氨酸型的水处理剂的研究开放在国外已成为热点。这类水处理剂主要包括聚天冬氨酸酸及其钠盐和酯。以氨基酸中的一种天冬氨酸或马来酸酐为原料，在催化剂的作用下聚合而制得。热．聚合天冬氨酸(TPA)是环境友好水处理剂的典型实例，它是由固相热缩聚工艺合成得到的线性高分子，生物降解性好，TPAl(相对分子质量4500)经过l6d后最终降解率达到80％，TPA2(相对分子质量l0000)在28d中最终降解率达到73％171。这些是热聚合天冬氨酸获得挑战奖的原因所在。作为水处理剂，对碳酸钙、碳酸钡最佳阻垢作用的相对分子质量为3000～4000，对硫酸钙最佳阻垢作用的相对分子质量为l000～2000。该类水处理剂具有优良的生物降解性能和较高的阻垢活性。

　　(2) 聚环氧琥珀酸(PESA)型

　　聚环氧琥珀酸(PESA)型水处理剂是近年来最新开发的一类新型绿色阻垢剂，北京化工大学研究解决了聚环氧琥珀酸合成反应过程中催化剂、控制暴聚方法等关键技术问题。成功开放了合成绿色药剂PESA的三种催化剂，二条技术路线和定向引导工艺，建立300t／a中试装置，经多批次考核，产品相对分子质量400～5000。重金属质量分数<0．01％，应用实验阻垢率芝99％[8].

　　PESA是以马来酸酐为原料，在催化剂作用下聚合制得。具有良好的生物降解性并适用高碱高硬水系等特点的新型绿色阻垢剂，其阻垢活性较高，极少量(3mg/L)即可达到很好的阻垢效果，PESA即便在较高钙离子浓度和较高碱条件下，仍保持较高的阻垢效果。此外，该系列产品烷基环氧羧酸盐(AEC)是G-Betz水处理集团开发的Continuum A E C方案中的一组分。GE-Betz认为Continuum AEC具有极高的安全和环保性能，它是一种新型的非磷阻垢缓蚀剂，具有较高的钙容忍度和氯稳定性，且在系统波动期间具有良好的性能。允许在高浓缩倍数下运行而不引起与浓缩倍数’有关的问题，而且减少了操作费用。由于AEC的引入，使总磷排放减少了30％～50％，是解决高浓缩倍数下循环冷却水系统腐蚀和结垢问题的全新方法。

　　(3)聚谷氨酸(PGA)

　　聚谷氨酸(PGA)，南京工业大学以生物合成的PGA为原料，生产环境友好水处理剂低相对分子质量聚谷氨酸(LMPGA)和高相对分子质量聚谷氨酸(HMPGA)，改进了原料PGA的分离工艺，尤其优化了其中的超滤工艺，节约了有机溶剂的用量，提高了PGA的收率。工艺容易控制，质量稳定，用聚乙二醇缩水甘油醚PEGB为交联剂，部分控制交联得到水溶性的HMPGA(相对分子质量达107)，解决了生产过程中的难点，获得的HMPGA具有良好的絮凝性[9]。

　　3前景展望

　　3．1不断开发和使用对环境友好的绿色水处理剂

　　应围绕环境、性能和经济等主要目标设计化学品的分子结构、对化学品建立合理的评价体系，从而引导新药剂的开发和应用。

　　开发价廉、低毒、无毒、无污染、一剂多效的水处理剂，’如开发新型高效多功能的高分子絮凝剂，开发一些兼有絮凝，缓蚀等多种功能的合成有机高分子水处理剂，如聚吡啶和聚喹啉的季铵衍生物，季铵盐型阳离子絮凝剂等一类多效水处理剂。这些药剂不仅具有良好的絮凝性能，而且又缓蚀、杀菌作用。

　　我国淀粉、木质素及虾、蟹壳等天然资源极为丰富，应充分利用这些天然高分子资源，开发出更多高效、无毒、价廉的天然高分子改性阳离子型絮凝剂。同时对天然高分子物质做进一步化学改性，使其不仅絮凝功能，而且还具有其他水质处理陛能，以满足复杂水质情况下多种水质处理的需要，使高分子表面活性剂在水处理剂中得到更加广泛应用。复合型缓蚀阻垢剂已成为被广泛使用的水处理剂。因此，研究无磷环保型复合缓蚀阻垢剂是今后发展趋势。

　　随着人们对环保意识的强化，绿色水处理剂的开发必将成为国内外水处理行业研究的新热点，今后研究的主要方向：

　　(1)进一步深入研究现有产品，不断提高质量，降低成本，使其能成为多功能、高效、价廉、无毒的绿色环保型的水处理剂，并能逐步推广应用。

　　(2)从分子结构水平出发，设计合成出具有特殊结构的，可生物降解的新一代水处理剂，使表面活性剂在水处理剂的产品开发中，得到新的更加广泛的应用。

　　3．2进一步解决在节水与废水资源开发中的一些重大关键技术及集成技术

　　我国的工业节水技术，从以仿制为主，逐步实现由仿制到自主创新的重大转变，从侧重水处理1剂的创新开发到侧重药剂产业化技术的开发，以期加快创新品种工业化及进入市场的步伐，侧重工业节水成套技术的集成开发及应用研究，以期为工业企业大幅度节水提供技术支持。目前国外一些大型水处理公司具备的先进水处理技术，值得我们学习和借鉴；如：GE零排放技术处理高含盐量浓水项目：GE自20世纪70年代开始开发和完善了工业废水零废水排放技术，在世界同类技术中处于领先地位。

　　内蒙古亿利工业有限公司是一家PVC生产企业，总体设计规划为年产l00万t PVC、100万t离子膜烧碱。目前规模为年产40万t PVC、40万t离子膜烧碱。最近该公司与GE水处理公司签订了40万t PVC项目污水处理的框架协议。工程建成后，每年可为亿利化学工业有限公司节约500万t以上的工业用水，并达到零排放。

　　该项目采用GE零排放技术处理反渗透膜系统产生的高含盐量浓水，是中国氯碱行业的第一套液体零排放系统fl01。

　　对于工业节水，一方面，要引导企业采用已开发成功的一些国内外先进成熟技术，如高浓度倍率循环冷却水节水成套技术[11]。以提高用水系统的用水效率；另一方面要学习国外先进的水处理技术，深入开展海水淡化技术和工业废水回用技术的研究开发，特别是工程化技术和集成技术的开发，并进行多行业的应用工程示范，为解决工业用水供需矛盾提高技术支持。

　　3．3水处理剂在节水工程中前景广阔

　　全球为应对气候变化，2007年12月15日联合国气候变化大会通过了为遏制全球变暖的“巴厘岛路线图”，新协议将在《京都协议书》第一期承诺2012年到期后生效。《京都协议书》是为人类带来福音的唯一抑制全球变暖的国际公约。

　　根据科学发展观，可持续发展战略、循环经济、以及环境友好的原则。为解决人类的自身安全，为子孙后代创造一个清洁的空间做出贡献，我国政府及有关部门，正在积极贯彻覆行有关的义务。我国的经济发展战略，强调注重效益，提高质量，协调发展，在发展中要注意环境保护，节能降耗，节约水资源，维持生态平衡。提高水资源的循环利用效率，开辟新的可用水源，大力开发和应用新的水处理剂和节水新技术，加强对工业循环水和各种废水的处理和综合的回收利用，对进一步缓解水资源危机，保护好人类生存的生命源，有着重大战略意义。

　　水是人类宝贵的自然财富，是工农业生产不可缺少的物质资源，充分利用好水处理剂和节水技术，为节水和保护水源做出更大的贡献，过去我国的经济发展付出了沉重的环境代价，未来不应再走“先污染后治理，，的老路，解决好发展经济与保护环境的矛盾，实现从‘‘应对式保护”向“预防式保护”的转变。依靠科技进步，更需进行制度上的创新。走出一条具有中国特色的可持续发展的路来，其发展前景无限广阔。