第1章绪论
1.1概述
中国作为世界排名**的制造业大国，重化工业在支持国家经济持续高速发展的同时，也面临着资源消耗高和污染排放严重的突出问题。中国工业资源消耗相对较大，占社会总能耗比例高达2/3，尤其是工业“三废”（废水、废气、固体废弃物）的排放量显著高于美国等发达国家。数据显示，中国每增加单位GDP，废水排放量是发达国家的4倍以上；每单位工业产值产生的固体废弃物总量是发达国家10倍以上。经济发展与资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化之间的矛盾日益突出，已成为制约我国经济社会可持续发展的重大瓶颈问题。
党的十八大以来，中共中央、国务院相继针对多介质（水、气和固废）、多流域（以长江、黄河主干流域为主）、重污染工业行业污染问题，以有效防范环境污染与健康风险为核心，以精准治污、科学治污、依法治污为工作方针，健全污染物治理体系，以更高标准打好蓝天、碧水、净土保卫战，提升美丽中国、健康中国建设水平（图1-1）。
图1-1推动多介质、多流域、多行业协同减污降碳的部分标志性政策法规
与此同时，环境污染物与温室气体排放具有高度同根、同源、同过程特性和排放时空一致性特征，意味着减污和降碳具有一致的控制对象且可协同推进。面对环境质量改善与温室气体减排的双重压力与迫切需求，《减污降碳协同增效实施方案》锚定美丽中国建设和实现“双碳”目标，统筹大气、水、土壤、固体废弃物、温室气体等多领域减排要求，在科学把握污染防治和气候治理整体性的基础上，以碳达峰行动进一步深化环境治理，以环境治理助推高质量达峰，提升减污降碳综合效能，实现环境效益、气候效益、经济效益多赢。2023年12月27日，《中共中央、国务院关于全面推进美丽中国建设的意见》发布，进一步强调协同推进降碳、减污、扩绿、增长，维护国家生态安全，抓好生态文明制度建设，以高品质生态环境支撑高质量发展，加快形成以实现人与自然和谐共生现代化为导向的美丽中国建设新格局。因此，现阶段协同推进工业减污降碳不仅是建设美丽中国的迫切需求和全面建设社会主义现代化国家的重要目标，更是筑牢中华民族伟大复兴的生态根基[1，2]。
工业“三废”治理是实现工业减污降碳的关键环节。工业“三废”中含有多种有毒有害物质，其中60%以上是由分离不彻底导致的。若不经妥善处理，未达到规定的排放标准就排放到环境介质中，超过环境自净能力的容许量，将会产生环境污染，破坏生态平衡，影响工农业生产和公共卫生。因此工业“三废”是环境介质（水、气、固、土壤）中污染物的主要来源之一。除此之外，环境介质中的污染物来源还包括农业活动、人类的日常活动以及自然因素。
在多介质环境体系中，不同污染源产生的污染物可能会在环境介质中发生迁移转化，进而引发复杂的污染问题。例如，大气污染物包括颗粒污染物和气态污染物等，主要来自工业排放和交通尾气，能够在空气中迁移，经降雨沉积到土壤或水体中，造成附近水体和土壤污染。针对大气污染物的处理，分离过程如吸收、吸附、冷凝、膜分离和电除尘等方法起到关键作用。水体污染物如有机物、重金属等主要来自工业废水和农业污染。这些污染物的处理方法需结合污染物的特点与环境背景因素综合考虑。萃取、精馏、混凝、吸附、沉淀、膜分离等均是有效的处理方法。固体废弃物主要来自工业固废和生活垃圾、农业废弃物等，堆存的固废经过日照或雨水冲刷，含有的有毒有害有机物、重金属等污染物渗透进入土壤和水体。固废的种类繁多，需针对不同的固废特点采用相应的处理措施，如燃烧、浸取等。土壤污染受废水、废气、固废以及农药使用的影响，土壤中的污染物可通过迁移转化进入地下水，影响地下水质。针对土壤污染物的治理，需要结合土壤修复技术和地下水监测控制等措施。综上所述，无论是大气、水体、固体废弃物还是土壤污染，都需要根据不同的污染源采取相应的物理或/和化学方法，将污染物从环境介质中有效地分离出来，从而达到环境净化和污染治理的目的。
分离是工业生产中*常见的过程之一，包括工业生产过程中从原料中去除杂质，对产物进行分离提纯，旨在从反应产物中获得高纯度目标产品。在化工、冶金和生物等领域，这个过程称为产品分离。同时，分离技术在环境保护领域同样发挥着重要作用，包括水体、大气、固体废弃物和土壤中有毒有害物质的分离等；也包括工业过程中分离“三废”中的有毒有害物质，有效降低污染物排放浓度甚至实现“零”排放，并将部分有价组分提浓成为产品参与到资源循环中。这种通过物理或/和化学方法将环境介质（水、气、固、土壤）或工业过程中的有毒有害污染组分进行分离，消除其环境污染的过程可称为环境分离。因此，分离过程不仅关系着工业高品质产品的生产，也是高效利用资源、控制环境污染的关键环节。随着国家污染物排放（控制）标准的逐渐严格，污染物的深度分离需求将更为迫切。可以通过深入理解分离过程原理、强化分离过程、提高分离效率，解决污染物减排的问题，降低能耗、提高资源循环效率。因此，环境分离技术是实现工业减污降碳、提质增效的重要手段。
目前，分离技术已广泛应用于化工、冶金等许多工业领域，《分离科学与技术》《分离科学基础》《化工分离工程》《冶金分离科学与工程》《湿法冶金分离工程》等已成为化工、冶金分离等领域的**参考书。分离技术在环境领域中的应用主要是采用化工原理的方法强化环境分离过程。例如，采用吸收和吸附技术分离工业废气中的二氧化硫等污染物，采用过滤、沉淀、吸附技术等分离回收废水中的重金属，采用萃取、精馏技术分离回收废水、废渣中的重金属、油类等污染物，采用（电）膜技术分离废水中的金属和进行离子的富集等等[3]。环境分离技术在污染治理和资源循环领域发挥着重要的作用，这也对环境分离技术与工程提出了更高的要求。但目前环境领域的分离技术与工程并没有相关专著进行系统归纳总结与阐述。本书将根据分离的原理和技术，系统介绍分离的化学基础、环境分离过程原理、典型的环境分离技术和工业应用案例等内容。
1.2研究对象与特点
环境分离工程主要是利用物理、物理化学或化学的原理以及化工单元操作实现污染物的分离和去除。环境分离技术的核心在于综合考量多个单元（或装置）、多个尺度（分子、单元、系统）间相互作用，以实现污染物或者有价组分高效处理与分离。以烟气CO2捕集为例（图1-2），在分子尺度上，通过分析CO2吸附扩散机理，构建构效关系预测模型，进而指导设计筛选CO2吸附材料及定向调控其在宏观单元操作过程中的转移转化；在单元尺度上，以理论分析和实验研究为基础，深入解析单元操作相互作用规律，进而指导设计CO2吸附反应器和优化操作参数；在系统尺度上，在深入认识各单元技术耦合关系的基础上，利用过程系统工程理论和方法，构建系统超结构优化模型，建立CO2吸附反应器及吸/脱附工艺包，为实现窑炉烟气固体吸附法CO2捕集低能耗、长周期稳定运行提供支撑。
图1-2基于富硅固废的烟气CO2捕集固体吸附材料及过程开发
产品分离的处理对象是原料反应后的产物，具有组分相对简单、目标组分浓度一般较高且稳定、操作成本敏感性低等特点。相比于产品分离，环境分离在分离对象、目标组分特性等方面均有其自身的特点，如表1-1所示。环境分离主要关注的是工业过程产生的“三废”（废气、废水、固废），生活废弃物以及被污染的土壤、地下水、河流。目标对象可以是有毒有害的，也可以是有价值的；可以是固体、液体、气体，也可以是分子或离子。环境分离系统中所含有害物质通常组分复杂，种类多，处理量大，而且浓度波动大。如焦化废水中除了含有芳烃、多环芳烃、酚类、含氮与含硫等有机物之外，还含有氨氮、氰化物等无机物，并且不同焦化工艺产生的废水，污染物的种类和浓度存在显著差异[4]。此外，目标组分的浓度通常较低，为mg/L级甚至μg/L级，其成本敏感性较高，因此分离难度大。环境分离对象涉及面广，污染物种类繁杂，处理难度大，投入成本高，无疑给企业带来沉重负担。这就对分离过程提出了更高的要求，如过程能耗和药剂消耗*小化等要求，因此亟须实现高效深度分离，促进资源循环利用，提高分离工艺稳定性，从而降低处理成本，增强企业对环境保护的内驱力。
在环境分离所涉及的不同物质体系中，其相互作用力表现形式差异较大。废水（废液）、废气、固废和土壤的分子/离子间距离和作用力是不同的。其中固态物质分子/离子之间距离紧密，作用力较大；液态物质的分子/离子之间距离相对较大，作用力较弱；气态物质的分子之间距离*大，作用力更弱。这些差异导致了废水（废液）、废气、固废和被污染土壤具有不同的物理和化学性质。这些污染物的性质，直接关系到环境污染物的分离去除和资源化回收。在此，本节将进一步讨论环境分离的处理对象的具体组成和性质特点。
1.2.1废水（废液）分离
水体污染是指水体中因某种物质的介入，使其化学、物理或者放射形态等方面特性改变，导致水质恶化，影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境。根据污染物种类不同，可以分为化学污染、物理污染和生物污染（图1-3）。化学污染中污染物种类复杂，性质多样，毒性大小不一，处理难度差异较大。根据污染物的性质又可分为无机无毒物质、无机有毒物质、有机无毒物质和有机有毒物质。这里所说的有毒、无毒是根据是否直接对人体健康造成毒害作用而划分的。废水中的污染物没有绝对无害的，是相对而有条件的，如某些污染物在低浓度时对人体无害，但达到一定浓度时就呈现出毒害作用。无机无毒物质大致分为颗粒状污染物，酸、碱、无机盐类以及氮、磷等植物营养物质。无机有毒物质主要包括非重金属类无机物（氰化物、砷）和重金属类无机物。这些物质在废水中的浓度即使很小，也会在生物体中累积，达到一定浓度后会显示出症状，从而造成重大疾病，如日本的水俣病（汞污染）和痛痛病（镉污染）。有机无毒物质多为碳水化合物、蛋白质、脂肪和醇等，在微生物作用下易降解为稳定的无机物（CO2、H2O等）。有机有毒物质主要有各种有机农药（DDT、六六六等有机氯农药）、多环芳烃、芳烃、酮、醛、酚以及苯胺类、氯代苯类、含氮杂环化合物等。它们化学性质稳定，很难降解，蓄积性强，其中有机氯化合物和多环有机物的危害*大[5]。
根据图1-3可知，废水（废液）的来源不同，其成分和性质差异很大。废水（废液）中含有各种溶解性物质和悬浮颗粒，这些物质的存在会影响其分离效果。分离技术包括萃取、吸附、结晶、蒸发、离子交换、膜分离以及汽提等多种技术。这些技术可分离废水（废液）中污染物并回收有价组分，或将污染物浓缩/富集至固相、液相或气相，实现废水净化。以煤化工废水为例，高浓度组分分离包括重油的沉降分离、苯酚的萃取或蒸馏分离、氨的加碱热蒸发脱出以及硫化物的置换分离等；高浓盐水分离包括电解产生氧化性有效氯、纯化分离产品盐以及反渗透分离纯水等。在物质分离、循环自净化与产品回收利用三方面应用，实现废水（废液）分离后资源循环利用。
图1-3水体中污染物分类[5]
2022年，为响应国家“双碳”目标，废水（废液）处理行业进一步强化了低碳化、资源化的处理理念，显著提升了对于控制温室气体排放的重视程度，中国环境保护产业协会发布了《污水处理厂低碳运行评价技术规范》（T/CAEPI49—2022）。随着工业生产的发展以及水处理要求的变化，废水（废液）处理的目标已发生根本变化，从减少污染物转向水的再利用、资源回收和低碳运行管理。这种目标的实现离不开废水（废液）分离技术。我国现行出水排放标准普遍提高，特别是在敏感水域地区，排放标准要求接近地表水标准。为达到排放标准、保障高质量的出水水质，不得不增加药品投入，但能耗亦随之增大，因此，寻求高效低能耗的分离技术更加迫切。总体上，废水（废液）处理目标从单一目标向多目标转变、从强调运行成本向低碳运行转变，在满足出水水质、臭气排放等指标的前提下，朝着碳中和目标迈进。高效低碳的废水（废液）分离技术将助力国家“双碳”目标的实施。
1.2.2废气分离
大气污染是指由于人类活动或自然过程引起某些物质介入大气中，当这些物质
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