随着国务院《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》的出台，节能环保产业作为七大战略新兴产业之
首，正显示出战略性发展的勃勃生机。2010年中国环保产业产值超过１万亿元，增长率达14％。目前，国家“十
二五”环境保护发展规划正在紧锣密鼓的制定，各项环保具体政策即将浮出水面，环保产业将迎来一个大发展的
战略机遇期，中国将有望成为世界上最大的节能环保产业市场。
　　石油和化工行业是我国各类污染物产生的重点行业，同时也为削减污染提供很多产品和解决方案，在治理大
气污染、水处理、废旧处理、环境监测等领域都起到了举足轻重的作用。本期“寻找绿色化学”系列报道将目光
关注到“水与化学”领域，全面报道当前国内外水处理及相关领域的最新发展动态，敬请读者关注。

提供可持续的水源——化学科学的作用和任务
朱曾惠
    水和能源一样是制约化学工业发展的关键因素，相比之下，水更加重要。水是所有生命维持的主要的持续成
分，它渗透整个生活并对文化基础产生深刻影响。人类基本需求如安全的食物供应和疾病的排除都要依靠水。但
是现在安全饮用水供应和卫生状况在世界各地差别很大，有许多地区已经面临严重缺水现象，如何保护和管理更
为可持续的水资源已经成为全球面临的最大挑战之一。
　　当我们在研究水的整个过程(hydrological cycle)中，发觉化学和分子科学可以提供它所面临的许多关键问
题的解决方案。当前全球水资源分布不均，气候变化引起全球性雨水紊乱，影响全球性的水利用和质量，如何实
时监测各地的水质量，弄清水污染的源头，提高水的处理和输送效率，都需要化学和分子科学开发新的技术、化
学和分子科学家要把如何提供可持续的水资源作为关键性课题。
　　欧洲化学与分子科学协会(The European Association of Chemical of Molecular Sciences, EuCheMS)是
促进欧洲各有关化学和分子科学学会合作的非盈利性组织，拥有50个会员学会和15万名个体会员，包括欧洲35
个国家的学术机构、产业部门和政府单位，该协会在2008年5月发表了一份报告《可持续水源：化学科学的作
用和任务》 (Sustainable Water: The Role of the chemical Sciences)简明扼要地论述了化学科学技术为解
决可持续水资源可以提供的技术支持，并提出首先需要从制定面向全球的可持续水源的管理的政策角度来确认化
学工业科学的作用和任务，现对其进行介绍。
    一、 引言
　　为日用、工业、农业和环境生态需求提供足够量的合格水源是一个全球性挑战。面对人口增长、气候变化和
人为的污染，以可持续的方式来解决水的问题是21世纪人类遭遇的最大挑战之一。化学科学的巨大活力在全球
可持续水管理中可能起到重要作用，希望政策制定者能意识到这一点。
　　所谓可持续水管理(Sustainable water management)意味要比过去做得更好，能够“多、快、好、省”(doing
more with less)，需要完全了解水的事务(hydrological cycle)，包括系统的输入和产出，并开发更好的技术
和实践进行水资源管理。科学家的一个重要任务是了解和预测气候变化的影响，告知决策者关于未来的水供应和
洪水灾害防范的基础设施。在保证水质和从处理工业废水以保护水源两方面，化学科学对水的处理都是十分关键
的。为此要支持帮助开发先进的水处理技术，如膜、紫外、专门吸附和先进的氧化工艺，要开发现代化水和废水
管道分布系统，就地进行水质处理和监测。对雨水要开发处理技术和保持标准，使家用废水可以再利用。水的输
送和处理耗能大，应纳入全球能源需求中，促进某些国家加强开发水质较差的水资源。
　　人类的活动导致环境中出现化学污染，典型的是进入水域，要进一步评价这些污染物对环境的风险，污染物
包括药品、工业化学品、个人保健用品以及纳米粒子等。化学工业科学要开发先进的监测技术，如先进的传感器
对水质量和污染物进行实时、无线的信息监测。化学工业的最终目的是开发适用的产品，这些产品经设计不仅能
高效的应用，而且能降解成无害的产物进入环境。
　　二、集成式的水资源管理
　　1. 理想情景
　　理想情景是为了说明集成式水资源管理的实施途径和方法，使此系统可以按首要的原则进行重新设计，因为
有许多国家要进行这种重新设计是不可能的，然而，在此提出的若干重要原则是与所有的状况相关的，推动向理
想情景发展是非常重要的，只有这样才能在水资源管理方面取得进展。
　　2. 水资源
　　水的应用要尽量减少，要使人类合理的需求与环境需求平衡，保持自然水流区域和自然地理风貌，水资源才
能可持续地被应用。
　　由于气候变化模式改进，气候变化对雨水的影响，经常出现洪涝灾害，干旱影响水的可利用性等都可能准确
地进行按国度或全球范围的预报。因此建立集成式的水管理系统是可能的，尽量大的捕集水，尽量减小发生洪水
的风险，并尽量降低发生干旱造成对农业和健康的影响。
　　3. 水的需求
　　民用方面：将经充分处理的水分送到家庭和工厂部门满足饮用水的需要，其他民用如工业和农业需要属于非
饮用水，雨水和生活下水等经收集和处理，达到一定标准，可以进入建筑物适当应用，分散或集中的水再次利用
系统可以节约用水，在人口稠密地区效果更好。用现代化计量工具告知用户其水和能源应用状况，让消费者重视
节约。
　　在可持续房屋建造标准中，要求新建房屋要保证水的有效利用。现有房屋改建要符合较高的用水标准。家用
物什和器具如洗衣机和洗涤剂要按有利于节约水和能源需要进行设计，产生的废水要能减化处理和循环再用，要
求水公司、用户、器件制造商厂和化学公司共同合作。
　　农业方面：雨水收集，改进农业有关设施，防止滴漏，尽量增大雨水应用，减少土壤被毁坏。达到一定标准
的中水(grey water)尽可能用于灌溉。水有效灌溉系统及其实施要经常保持尽量减少水的应用量，保证水的需求
以满足可持续要求。农用化学品（化肥、除草剂和杀虫剂）要高效而用量小，降解快，按综合病虫草害管理战略
尽可能减少其用量。动物管理系统要保持动物废物放置合理，不能进入水域。
　　工业方面：工业生产要尽量减少水的应用，尽量增大水和热能的回收。此技术系统的状态应经常处于高效、
安全状态，维护费用也维持较低水平，建立在上世纪九十年代的减少废料的原则被严格执行，工业生产已经提供
了零排放系统的实现机遇，所有废料可以被再用或就地处理。
　　化学工业方面：化学工业要应用绿色化学原则，尽量减少水资源、能源、风险并降低成本设计，化学品要高
效应用，生命期最后要能再次循环回收或是快速降解于环境，要将水作为一种溶剂进行应用，在液态、超高热或
超临界状态下进行有效的化学转变。
　　4. 水的处理
　　饮用水的处理：少量的水要进行处理使之达到可饮用标准，要用先进的高效技术，要比现用技术耗能低，化
学品用量少。常用的技术包括高效膜、吸附、催化和光化学工艺分配网络要大幅度降低能力，避免漏水。
　　废水处理：因为废料减少，污水生成量也相应减少，回收循环再用量增大。现代化的污水管道都是就地进行
监测和处理，一般用先进的厌气微生物和氧化工艺处理以减少化学品和能源的投入。从厌氧过程中产生的甲烷进
行捕集并转换为能源作为处理过程中的能源和热源，由于污水中的污染物减少，所以污水处理不断降低化学品和
能源使用量，以免增加化学品进入环境造成降解的麻烦。
    工业废水处理：工业废水要就地进行处理，有价值的化学品和物质材料要循环回收，化学工业中用绿色化学
使收率极大提高，尽量减少副产和联产物形成，从而降低水处理的需求。
　　水的监测：在各个阶段中水都要监测，用无线传感器组成的网络提供连续的实时信息，监测水的化学和生物
学状态，并反馈到工艺过程控制系统中，水质量问题要早期发现才能及时处理，数据可以提供作为法院辩护和审
判用。分析化学、微型化和无线技术可以发现污染源以便早期处理。在农业和工业中监测可以优化工艺过程，节
省能源和成本减少废料生成和环境污染。
　　绿色产品设计：准确地预测化学品对环境和健康危害要应用到化学品设计中，使设计的化学品既有效，又与
环境兼容。   
　　三、化学科学的优势
化学科学在以下方面可以为可持续水资源做出贡献：
    1. 材料科学
　  ·在微过滤、纳米级过滤、超过滤和反渗透方面突破膜技术，显著降低成本，提高工艺效率以除去水中颗粒
物、沉淀和微生物。
　　·提高絮凝剂的有效性能，降低残留固体生成。
　　·开发先进吸附剂，在废水处理中除去污染物。
　　·开发遥控无线水传感器的制造技术及其材料，使之至少能运营一年而不需维护。
　　·开发现代化管网可以就地监测饮用水和废水。
　　·开发可自行修复管网降低水泄漏。
　　·从家用和工业用防细菌沾污涂层技术进行技术转移用于水管网系统。
    ·新型抗腐蚀涂层和化学品，降低管路腐蚀和工业过程中工艺用水的固体物沉积。
　　2. 催化
    开发先进的氧化工艺过程包括光催化在内，在废水处理中除去出现的污染物。
　　3. 绿色化学技术
　　·应用绿色化学原理减少化学工艺过程中的应用和废料生成。
　　·产品设计中要求生产和应用中减少水的能源应用。
　　·产品设计要在使用中有效，并能迅速降解并成为无害物进入环境。
　　4. 化学与生物学间界面
　　·先进的厌氧过程开发，降低废水处理成本，提高效率。
　　·化学家与生物学家合作开发敏感和高效的遥控生物传感器，对化学样品和生物样品进行监测。
　　5. 光化学
　　·提高紫外处理的量子和能源效率，破坏水中有机物和不明生物品。
　　·开发紫外工艺过程在分布管网和灌溉中处理饮用水。
　　6. 工业化学
　　·工业要完全实施废物减少的原则。
　　·废水系统要就地处理，产物要回收循环，减少化学品进入水流。
　　7. 建模
　　·提高全球、国家和地区的气候变化在沉降上的效应的认识，特别是强调干旱和洪灾的建模工作。
　　·开发模型预测气候变化对地下水源影响。
　　·提高对洪涝灾害和出现的污染物对地表影响的认识。
　　·开发化学污染物对环境危害的预测模型。
　　·开发能预测低浓度化学品混合污染物对环境和人体健康影响的模型。
　　8. 环境化学
    对新出现污染物对环境危害，特别是药品、新工业化学品和纳米颗粒要进行了解并进行风险分析。
　　9. 物理有机化学
    要详细了解环境污染物降低速率和机制历程，以及中间代谢物形成。
　　10. 毒物学
    环境污染物和其转化产物的毒性学要进一步了解。
　　11. 分析化学
　　·在饮用水范畴要测定重金属和有机污染物，要求方法快速、准确、便宜和可靠。
　　·开发适当的标准，使中水和雨水可以应用，以及作为饮用水的后备补充。
　　·对间接否定样品的数据进行校正，使它们可以延着常用监测网应用。
　　·开发传感器可靠性战略使新型和遥控无线传感器适用。
　　·开发质量控制方法，应用于传感器，就地监测器和间接取样。
　　·提高直接/间接取样技术，开发较好的传感器。
　　·开发对分析质量控制的指导方法，用于水部门的取样、传感器和分析。
　　·要为综合生物效应监测开发生物分析测试系统的传感器（如专门毒性，水的富营养化过程等）
　　四、对化学科学的关键性挑战
    综上所述，为提供可持续的水源,以下八个方面对化学科学提出关键性挑战，它们是：
    1. 预测气候变化对全球性、国家性和区域性水的利用和质量的影响，以便能采取适当的基础设施计划；
    2. 开发可饮用技术，分析和处理被污染的地下水，使之能为当地居民有效的适当使用；
    3. 创建、示范和设置传感器网络，提供准确的实时水质量状态数据，以便制定战略提高水质量；
    4. 了解并准确预测人造化学品对环境的危害，特别是新出现的污染物及其代谢体；
    5. 设计化学品和产品要能高效使用，直至其生命期终止，要能重新利用和循环回收，并迅速在环境中降解；
    6. 开发先进的水处理技术，效率高，并能大幅度降低能耗；
    7. 扩大接纳绿色化学原则，并将此原则应用于综合污染防治和控制，应用到化学制造，目的是减少废物，
能源应用降低和水资源有效利用；
    8. 要对各种水质量制定标准，在家庭、农业、工业和休闲场所有效利用水源。

   本文主要参考资料：EuCheMS: Sustainable Water: The Role of the Chemical Sciences (May 2008)