可循环使用净水器及废弃膜产品工业化回收和再利用

于振江

上海交通大学环境科学与工程学院

博士研究生

庞浩然

上海交通大学环境科学与工程学院

博士研究生

黎岭芳

上海交通大学环境科学与工程学院

博士研究生

迟莉娜

上海交通大学环境科学与工程学院

讲师

1　概要描述

1.1　新型净水器研发背景

我国的集中供水方式不单涉及城市的供水管网，也涉及广大农村的水塔、水井等相对比较落后的供水方式，然而由于城市供水管道的腐蚀、农村水源地缺乏必要水质保障措施、抗生素在水体中广泛存在和分布等因素，使我们面临着普遍的饮用水安全问题，安装一款合适的末端净水器也成了许多家庭和公共场合的热门选择。

图1　（a）中国集中水源地的分布^[1]（b）中国抗生素的存在和分布情况^[2]（c）新型净水器研发的背景

1.2　新型净水器颠覆性表现

（1）净水器滤芯（涉及超滤、纳滤或是反渗透）的制备选用绿色溶剂（颠覆现有的有毒、难降解有机溶剂）、可生物降解的高分子材料及其他绿色添加剂，尽可能降低膜制备过程中有机废水的产生和有毒物质在膜中的残留，可生物降解材料可以有效地解决滤芯更换后的后处理问题。

（2）为提高膜滤芯抗污染性能，通过在膜表面负载具有兼具磁性、抑菌性的纳米粒子或其他功能材料，不但能够实现有效的抑菌，且可以避免纳米粒子在饮用水中的流失，也极大地延长了膜的使用寿命。也可以是具有在可见光下具有极强光催化性能的催化剂等材料，优化膜壳的透光性能，利用普遍存在的可见光实现催化剂和膜的协同净水。

（3）通过用户共享和大数据采集相结合，建立起不同地区的动态水质环境数据库，然后反馈大众，设计针对性极强的水处理方案和净水配件选择，实现更加高效、节能的净水。

（4）通过3D打印技术和其他流体、水处理过程模拟软件结合，并结合机器学习方法实现净水组件结构的优化设计。

图2　新型净水器的实现过程^[3]（绿色溶剂）

（5）颠覆现有净水器更换净水滤芯时，抛弃整机的做法，实现不同滤芯局部更换。

1.3　废弃膜产品的工业化回收和再利用技术预见

（1）以“膜”养膜，通过对传统的MBR工艺革新，实现膜丝的简易更换，对于达到使用寿命的膜丝可以通过一系列处理手段，将废膜材料骨架塑料回用到注塑行业，部分可作为MBR使用过程中的管道或是滤器外壳，且有多个品种可选，如PVC管、PVDF管等。

（2）针对近几年迅速发展的“永不断丝”的MBR组件，通过设计有效的膜丝皮层和涤纶丝分离设备（机械分离和化学溶剂分离相结合）实现涤纶丝再次回用。

2　应用意义与前景

一个产品的生命周期一般包括原材料、生产工艺、使用、废弃回收再利用等过程。随着人们对安全饮用水和高效水处理技术的需求，MBR、净水器及其他膜产品正在迎来其最佳的发展机遇，然而产品发展过程中逐步出现的问题如制膜有机废水的处理，净水滤芯使用寿命短、二次污染严重、水质波动大、一旦到达使用寿命只能够整机抛弃，MBR更新换代过程产生了大量的废弃中空纤维膜丝及组件等，正在成为未来膜技术广泛发展后的一大难题。本预见正是基于这些问题，通过改进工艺和末端处理解决膜行业未来下游产品的回收和再利用。

【注释】

[1]Wu R，et al.Modeling contaminant concentration distributions in China’s centralized source waters[J].Environmental Science & Technology, 2011, 45(14): 6041—8.

[2]Zhang Q-Q, et al.Comprehensive evaluation of antibiotics emission and fate in the river basins of china: source analysis, multimedia modeling, and linkage to bacterial resistance[J].Environ.Sci.Technol., 2015, 49(11): 6772—82.

[3]Hassankiadeh NT, Cui Z, Ji HK, et al.Microporous poly(vinylidene fluoride)hollow fiber membranes fabricated with PolarClean as water-soluble green diluent and additives[J].Journal of Membrane Science, 2015, 479: 204—212.