深度聊一聊碳材料在水处理中的应用（上）
导读：水是生命之源，然而近年来我们在水利用方面存在越来越尖锐的问题，水处理成为大家日益关注的话题，今天小编跟大家聊一聊碳材料在水处理方面的应用。
中国现在面临的水资源问题很多，比较尖锐的是淡水缺乏，分布不均，浪费和污染严重，下面看一组详细数据。
虽然水覆盖了地球表面的70%，然而淡水仅占到3%，饮用水十分短缺，全球超过十亿人生活缺水。中国拥有20%的世界人口，但水资源储备仅占到全球总量的7%（即人均占有量是全球人均占有量的1/3）；中国水资源分布不均，简单来说是西部、北部匮乏，南部、东部及沿海地区相对丰富；水资源分配不均，近70%水用于农业，约20%水用于工业，生活用水不足10%。这一系列的问题给我们的生产、生活带来了诸多麻烦，毫不夸张的说，水资源问题是影响我们全面建设小康社会，实现民族伟大复兴的重要绊脚石（原谅小编又唱高调了）。
由此来看水处理是相当的重要，小编将水处理简单归为三类，即水质处理（主要是饮用水）、污水处理和海水淡化，下面将结合碳材料的应用情况分别展开。
水处理就是通过物理、化学、生物的手段，去除水中一些对生产、生活不需要的有害物质的过程，与社会生产、生活与水密切相关。是为了适用于特定的用途而对水进行的沉降、过滤、混凝、絮凝，以及缓蚀、阻垢等水质调理的过程。水处理领域涉及的应用范围十分广泛，构成了一个庞大的产业应用。
现有饮用水处理主要利用反渗透技术和塑料水瓶。饮用水净化设备采用反渗透技术是将原水经过精细过滤器、颗粒活性碳过滤器、压缩活性碳过滤器等，再通过泵加压，利用孔径为1/10000μm(相当于大肠杆菌大小的1/6000，病毒的1/300)的反渗透膜(RO膜)，使较高浓度的水变为低浓度水，同时将工业污染物、重金属、细菌、病毒等大量混入水中的杂质全部隔离，从而达到饮用规定的理化指标及卫生标准，产出至清至纯的水，是人体及时补充优质水份的最佳选择。由于RO反渗透技术生产的水纯净度是目前人类掌握的一切制水技术中最高的，洁净度几乎达到100%。
单级工艺设计:
原水箱→原水泵→沙滤器→炭吸附器→软水器(或计量加药系统)→精滤器→高压泵→反渗透装置→臭氧发生器→ 纯水箱→用水点
双级工艺设计:
原水→原水箱→原水泵→多介质过滤器 (石英砂过滤器)→活性炭过滤器 →软水处理器 (添加阻垢剂装置)→精密过滤器→高压泵→一级反渗透(RO)装置→ 纯净水箱→高压泵→二级反渗透→紫外线杀菌装置(臭氧杀菌装置)→用水点
而目前家用的净水机（器），按照滤芯组成成分大概可分为RO反渗透净水机、超滤膜净水机、能量净水机和陶瓷净水器等。RO反渗透净水机标配的是5级过滤，即：PP棉、颗粒炭、压缩炭、RO反渗透膜、后置活性炭（也称小T33）5级。
小米厨上式净水器（来自小米官网）
小米净水器工作原理示意图（来自小米官网）
众所周知，活性炭是一种非常优良的吸附材料，它是利用木炭、竹炭、各种果壳和优质煤等作为原料，通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加工制造而成。它具有物理吸附和化学吸附的双重特性，可以有选择的吸附自来水中的各种物质，以达到脱色、除臭和去除化学污染以及挥发性有机物等目的，这里不再详述。
BDD电极（来自网络）
目前农业用药和工业生产（例如重金属排放）是污染的主要源头。掺硼金刚石(boron-doped diamond: BDD)薄膜是一种新型的电极材料（一般是通过CVD法），在恶劣的电化学条件下非常耐用，在电化学传感器，电催化中具有良好的应用前景。
掺硼金刚石薄膜特殊的sp3键结构及其具有的导电性，赋予了金刚石薄膜电极优异的电化学特性，如高催化活性、宽的电化学势窗、较低的背景电流、较好的物理化学稳定性以及低吸附特性等。在一定程度上弥补了传统重金属电极的不足，有望在电化学合成、电化学分析、电化学水处理等领域得到广范应用。
BDD电极在对有机物进行电催化氧化过程中会发生两种氧化机制：直接氧化和间接氧化。直接氧化是利用电极所提供的能量使有机物失去电子而被氧化。间接氧化是在电极表面生成并物理吸附具有强氧化性和活性的羟基自由基·OH，通过电化学燃烧将有机物矿化为CO2和H2O。由于BDD 电极电催化活性高，易在电极表面产生·OH并具有很高的电流效率，因此其氧化机理主要为间接氧化的电化学燃烧。
金刚石薄膜制备技术是BDD电极制备技术的关键，通常采用CVD法。目前，CVD法已发展出十几种方法，其中研究最多、应用最广、发展最成熟的 4种CVD工艺，具体如下。
几种常用的CVD制备方法
其中热丝化学气相法制备的电极应用最为广泛，最大尺寸可达到400mm×1200 mm（Customneo Coat®公司），微波等离子体法制备的电极最大尺寸可达到D350 mm，直流等离子体喷射法可达到D300 mm。
目前BDD电极材料在污水处理中的工业应用还在起步阶段，国内尚未看到十分完整的产品，但很多科研单位都做过相关的研究工作，如中国科学院、上海交通大学、山东大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、大连理工大学等。
国外已经看到了市场化相对比较成熟的产品，如Condias、W&L Coating Systems GmbH、IIa Technologies Pte Ltd、NeoCoat、SP3 Diamond Technologies、Advanced Diamond Technologies等。
来自IIa Technologies Pte Ltd
事实上BDD电极不但可以用于污水处理，也可以用于生物传感器、电分析等领域。同时金刚石电极也可以沉积在多种衬底上，如硅、石墨、碳化硅和金属等。
BDD涂层特性
|
厚度 |
掺杂水平 |
电阻率 |
|
|
微米 |
PPM |
at.cm -3 |
mΩ.cm |
|
2-3 |
100 |
3.10 19 |
500 |
|
2-3 |
700 |
2.10 20 |
100 |
|
2-3 |
2500 |
8.10 20 |
14 |
|
2-3 |
5000 |
2.10 21 |
4 |
|
2-3 |
10000 |
3.10 21 |
2 |
来自NeoCoat官网
BDD电极可用的形状，尺寸和基材
来自NeoCoat官网
明天更精彩
下一期我们将介绍石墨烯在污水处理及海水淡化中的应用，欢迎继续关注。
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