本文围绕2018年上海市技术发明一等奖项目——“功能化三维聚合物类水处理药剂的创新设计与工程应用”展开，该奖项由同济大学李风亭教授领衔的团队获得。
1950年，在日本水俣湾附近的小渔村中发现大批精神失常而自杀的猫和狗；之后水俣镇又出现了怪病人，开始时步态不稳、面部呆痴，进而耳聋眼瞎、全身麻木，最后精神失常，高叫而死。调查后发现这些人和猫、狗是因为吃了毒鱼而发病，而当地化肥厂是罪魁祸首，他们把大量有机汞废水排入了水俣湾，这就是著名的“水俣病事件”。
人们自古逐水而居，然而，工业文明却给自然环境带来了无法治愈的伤害，首当其冲的就是人类赖以生存的水资源。在我国，2/3以上的河流受到不同程度的污染，儿童血铅超标、癌症村等事件的频繁出现。世界卫生组织调查报告曾指出，人类80%的疾病与饮用水水质不良有关。
事实上，我们生活中使用量最大的自来水在烧开后只能杀死细菌和病毒，却无法去除污水里的有毒有机物和镉、铅、砷等重金属离子。但是，你能想象吗，就算是在今天，工厂里的废水、城市居民生活污水最后仍将排放到江河湖泊中，成为下游城市的饮用水源。这就要求污水和废水在排放到江河湖泊之前，必须采取各种方法去除水里的污染物，将风险降到最低。
想知道如何把这些看起来充满恶臭的水处理成净水吗？先来了解一下水处理的方法。
一般的水处理方法
水处理的方法主要有两大类，一类是生物处理；另一类是物理化学处理。生物处理主要依靠微生物细菌来降解水体中的有机物，但是——对于水体里面的有毒物质，如重金属、难降解的有机物等，通常难以用生物处理方法，这时就需要用物理化学处理的方法。
物理化学处理方法既可通过物理作用分离，如过滤、沉淀、上浮、离心分离等；也可利用化学反应进行转化，如水的PH值调节、混凝、化学沉淀等；还可利用物理化学作用去除污染物，如离子交换、膜分离、电化学等。
一般的水处理工艺流程分为三级：一级处理是物理机械处理，主要是去除粗大颗粒和悬浮物，即通过物理方法实现固液分离；二级处理是生物处理，以去除不可沉悬浮物和溶解性可生物降解有机物；三级处理采用物理化学方法进行深度处理，如进行脱氮、脱磷处理，用活性炭吸附等方法去除污染物，并进行消毒灭菌，然后排放或重新回用。
当然，饮用水处理要求更严格，可能还有更多的流程，如除铁、除锰、除氟、软化、淡化等，以满足国家的《生活饮用水卫生标准》，包括微生物指标、毒理指标、化学指标等。
我国水处理技术经过多年的发展，从循环冷却水的处理发展到污水综合处理，从物理处理发展到物理、化学、生物综合处理，为水资源的安全、合理应用提供了技术保证，在节能减排、环境保护、用水安全中发挥了巨大的作用。
高效的净水剂是核心
进行水处理，净水剂（或水处理剂）是核心。净水剂是絮凝剂、阻垢剂、缓蚀剂、杀菌剂等一大类化工产品的总称，广泛用于电力、医药、化工等污水处理行业，目的是去除悬浮物、杀菌除臭、软化水质、稳定水质等。
高效的净水剂一直是科学家追求的目标，去除有毒物质又是其中需要重点攻克的难题。然而，目前去除有毒物质的净水剂大多是线型的，它的缺点是易发生卷曲，吸附水体中污染物的效率不高。由此，研发人员都在思考，能否跳出传统净水剂的结构局限，引入三维空间聚合物，从而解决吸附效率低、发生卷曲等问题。
其中，同济大学环境科学与工程学院的李风亭教授团队就是一支重要的研究力量。李风亭是联合国环境署-同济大学可持续发展学院的副院长，他还担任联合国环境署-中国科技部非洲水行动专家组组长。李风亭团队在水资源管理和水处理领域长期深耕，很多水处理化学品成果已经在全球各地得到使用，而获得了2018年上海市技术发明一等奖的“三维聚合物水处理药剂”只是课题组众多应用成果中的一项，这项研究成果目前已转让50多家企业，引领了产业升级及技术创新。
线型到立体的突破
就像我们用鱼钩钓鱼的效率不及用网来捕鱼一样，如果能够实现常用的净水剂在分离水体中污染物时，从线型结构到网状结构的变化，那么污染物的分离效率会大幅度提升。
基于上述想法，李风亭将线型净水剂分子通过交联的方式，制备成了三维网状结构的净水剂。这些网状结构可以是树枝状的聚合物，也可以是球型结构的聚合物，它们通常不会像线型结构那样发生自缠绕卷曲和沉积现象。
不同的净水剂：左侧三维树枝状聚合物 已广泛用于重金属废水和垃圾飞灰的稳 定处理；中间交联型生物可降解聚环氧 琥珀酸用于循环冷却水污垢的分散；右 侧的复合铁盐混凝剂已广泛用于钢铁、 市政等污水处理
在立体聚合物表面接上不同的官能团，就可以赋予净水剂不同的性质，从而有针对性地捕捉不同的污染物，达到净水的目标。例如，去除难降解有机物： 当立体聚合物表面为铵离子时，可以有效吸附多数难降解污染物，如氰、酚致癌物，多环芳烃等，达到网捕和分离作用。再如，捕捉重金属：当立体聚合物表面为硫代羧酸盐时，它对于重金属的络合性远远超过常用重金属捕捉剂，可使重金属指标控制在国家标准的1/10甚至是1/100；沉积的重金属通过熔融冶炼回收，又实现了重复利用。
团队针对生物方法难以处理的难降解有机物、重金属废水和水垢等难题，研发了不同的立体聚合物净水剂，大大提高了水处理效率。
为“一带一路”做出重要贡献
立体网状聚合物净水剂目前已经在工业污水、循环水和饮用水处理中得到广泛应用，如利用交联的聚氯化铝用于冬季饮用水预处理，可降低净水剂使用量的40%以上，处理后完全达到国家饮用水标准，这一技术在上海、浙江、江苏等多个省市的自来水企业得到广泛的应用。
这些三维水处理剂还推广到了韩国、意大利、乌克兰、英国、肯尼亚等40多个国家。作为科技部应对气候变化的技术之一，曾在坎昆全球气候变化缔约国会议和非洲环境部长会议期间发布，为“一带一路”沿线国家和非洲安全供水、水资源保护、民生保障等做出了重要贡献。
在非洲，水处理最关键的指标是微生物，如果微生物不达标就会暴发各种传染病，因此饮用水的消毒处理十分严格。第二个指标就是浊度，在这里，由于森林受到砍伐，因此每当雨季，河流水就会变得十分浑浊，这对于水资源本身就比较匮乏的非洲无异于雪上加霜。用常规的硫酸铝+石灰的处理方法效果并不理想，浊度仍然很高，即饮用水用肉眼就能看到浑浊；而用欧美企业的水处理剂进行处理，成本通常都很高。
在科技部中非环境合作项目的资助下，李风亭课题组开始对非洲水资源和水环境展开研究。从2005年开始，李风亭先后60多次来到非洲，足迹遍布肯尼亚、坦桑尼亚、埃塞俄比亚、摩洛哥等等。在肯尼亚首都内罗毕，其最大的自来水厂每天处理饮用水50万立方米。李风亭教授连技术带人一起到此展开研究，通过提供高效的水处理剂，解决了雨季难处理高浊度水的难题，大大提高了供水水质，且处理工艺简单，成本大大降低。
2012年在李风亭（左一）内罗毕水厂进行技术指导
李风亭教授还在非洲开展了安全供水示范工程和污水处理示范工程，致力于让更多的人喝上安全、干净的水。2013年，联合国授予李风亭教授“联合国南南合作特别贡献奖”，以表彰他在南南水环境合作方面的特殊贡献。而这些贡献，几乎付出了生命的代价。每次旅非考察，自然条件恶劣，车在盘山公路上爆胎抛锚时，猫科动物的出没让人胆战心惊；有一次在摩洛哥，被蚊虫叮咬后李风亭身体出现极度不适，临时下飞机后独自一人在卡萨布兰卡机场的长椅上躺了两个小时才缓过来，他当时以为自己回不了祖国了。后来回国就医，两个多月后才逐渐恢复。
李风亭说：“在继续推进国家之间全面合作以及水处理方面，我们还有很长的一段路要走。以前，净水剂做得较好的都是国外的跨国企业，如凯米拉、威立雅、爱森等，他们的净水剂处理效果好，针对不同污染物的净水剂品种也多，很多行业都使用他们的产品。但是，我国目前正在逐渐追赶上来，已经成为生产能力最强的国家，一些国外企业也会购买我们的产品。不过，我国在有机水处理剂的品种数量方面还存在差距，未来我们需要更多地参与国际合作，引领国际前沿。”
论文写在祖国的大地上，研究成果只有转化才能产生价值。李风亭教授也一直是这样做的，其团队目前已与50多家企业合作，产品覆盖5 000多家污水处理厂，其中铁盐净水剂的国内市场覆盖率超过了50%。除了成果产业化，李教授还主持了多项净水剂标准的制定，目前已形成27项国家标准和21项行业标准，获得中国发明专利62项，美国专利4项。
随着新型网状纳米结构聚合物研究的深入，围绕水处理和环境保护，李风亭团队又将其研究和成果不断向水处理流程的后端延伸，他们希望通过科技创新对水处理的闭环流程提供更多的支撑，持续为上海的生态环境改善贡献力量。
水净化是一个永恒的课题
水的处理过程是一个涉及到气体-固体-液体的三相系统，不仅覆盖地球表面的各种元素，同时涉及化学、物理和生物的多种反应。无论是饮用水还是各种污水的处理，制约因素主要在于材料和能耗，因此能够提升处理效率的材料和技术，如纳米材料吸附、新型膜材料和膜分离技术、高效降级污染物的优势菌种筛选和优化、以有机污染物作为基础物质的燃料电池能源回收技术等等，都是未来水处理的新方法，对于这一行业将起到极大的推动作用。
此外，融入绿色化学理念的净水剂也是未来全球水处理的发展方向，即从原料选择、生产过程到未端废弃环节的全产业链过程都考虑对生态环境的影响，开发无污染、易降解、低成本的绿色净水剂。
发展、污染、治理、最终回归洁净 ——人与水资源之间这样不断碰撞，磨合，直至和谐的关系，这是人类在工业发展进程中的必经之路。良好的水环境生态和安全的饮用水，是全人类的共同追求。即使在今天，我们安全的饮用水中，仍然含有大量的纳米级颗粒物和不同的溶解性矿物质，重视对水源的保护才是关键。随着生活水平的提升，我们对于饮用水和水环境将不断提出更高的要求，因此，水的净化将是一个永恒的课题！
本文由上海市“科技创新行动计划”科普项目 （19DZ2332500）资助