【中国大陆】大连理工提出CO₂水合物相变免化学调理污泥脱水新路径：含水率由84.2%降至59.3%，成果登上《Environmental Science & Technology》

导语提要：大连理工大学宋永臣教授团队利用CO₂水合物相变选择性结晶提取污泥残余水，实现免化学调理的污泥深度脱水。经多级水合物形成-分离循环，污泥含水率由84.2%降至59.3%；低场核磁共振显示机械结合水占比由68.2%降至40.7%。单位除水能耗低于文献报道的微波脱水技术，引入冷能回收后可再降约17%。

问题起点：80%含水率背后的"深度脱水瓶颈"

污泥深度脱水是实现污泥减量化与资源化利用的关键技术瓶颈。据大连理工大学能源与动力学院介绍，传统机械脱水后污泥含水率仍在 80% 左右，进一步脱水通常依赖化学调理（投加絮凝剂、助凝剂等）或高能耗物理强化（热干化、微波、电脱水等），而这两条路径各自带来明显代价：化学调理易造成药剂残留与有机质损失，物理强化则带来额外能耗。

这一矛盾在污泥资源化语境下尤为突出。当污泥后续要走厌氧消化、好氧发酵、焚烧或土地利用路线时，有机质含量与药剂残留直接影响产物品质与处置路径的可行性——脱水过程越"粗暴"，后续资源化的空间就越窄。因此，发展兼顾高效脱水、资源属性保持与低碳运行的新型技术，具有明确的现实意义。

团队针对的具体难题是：机械脱水后，残余水并非以自由水形式存在，而是滞留于污泥絮体、毛细孔隙及胞外聚合物（EPS）结构中，常规手段难以进一步脱除。

技术原理：让CO₂水合物"只喝水、不吃泥"

研究团队受气体水合物氢键笼状结构及结晶溶质排斥特性启发，提出利用 CO₂ 水合物相变选择性结晶提取污泥残余水。

其核心机制可以这样理解：水合物是由水分子通过氢键构成的笼状晶格，客体分子（此处为 CO₂）被包裹在笼内。当水合物在污泥体系中生长时，水分子优先进入氢键笼状晶格，而污泥中的溶解性组分和颗粒物则主要被排斥在水合物晶格之外——这就实现了"水分与污泥组分的选择性分离"，本质上是一种以相变形式完成的"提水"过程。

研究发现的具体现象包括：

• 界面优先成核——CO₂ 水合物优先在污泥-气体界面成核生长，为水分向外迁移提供了生长前沿；
• 蛋氨酸强化输水——蛋氨酸可强化界面水合物生长和晶体网络中的毛细输水，促进污泥内部水分向水合物生长前沿迁移；
• 水分赋存状态转化——低场核磁共振原位表征显示，机械结合水逐步向流动性更高的自由水状态转化，其相对信号占比由 68.2% 降至 40.7%，自由水占比由 3.0% 升至 10.7%。

最后一步是把"变成水合物"的水从体系中分离出去——通过多级水合物形成-分离循环，污泥含水率由 84.2% 降至 59.3%，且这一过程不采用常规化学调理剂和蒸发热干燥。

性能对比：能耗处于低区间，冷能回收再降17%

能耗是判断一项脱水技术能否工程化的关键指标。据团队评估，在相近脱水终点下，该方法单位除水能耗低于文献报道的微波脱水技术，并处于电脱水技术的低能耗区间；进一步地，引入冷能回收后，过程能耗可再降低约 17%。

这一能耗表现的来源值得拆解：水合物相变本身在较低温度下发生，其理论相变潜热远低于水的汽化潜热，因此相对于"把水煮干"的热干化路线具有本征的节能空间；而冷能回收则把水合物分解环节的冷量重新利用，减少制冷系统的重复投入。两者叠加，使"深度脱水"与"节能降耗"不再互斥。

资源化友好性：有机质保留与絮体结构完整

相比能耗，这项技术在资源属性保持上的价值可能更具长远意义。由于水合物结晶过程对溶解性组分与颗粒物具有排斥效应，该过程能够：

• 有效保留污泥有机质——有机质未被化学药剂改性破坏，也未被高温热解损失，后续厌氧消化或土地利用的热值与肥分得以维持；
• 保证污泥絮体结构完整性——絮体结构未被强剪切或高温破坏；
• 降低分解水中溶解性组分水平——水合物分解释放的水中溶解性污染物含量较低，为分离水回流处理减轻负担，也为后续资源化利用创造了条件。

这三点恰好对应了传统化学调理路线的三项短板：药剂残留、有机质损失、后续处理难度上升。

论文信息与研究团队

该成果以"CO₂ 水合物结晶驱动的免化学调理污泥脱水：有机物截留、孔隙水提取与碳的协同利用"（Chemical Conditioner-Free Sludge Dewatering via CO₂ Hydrate Crystallization: Coupling Organic Matter Retention, Water Extraction, and Carbon Utilization）为题，发表于环境领域顶刊 《Environmental Science & Technology》（Nature Index 期刊）。

论文第一作者为大连理工大学博士生孙汇莲，通讯作者为宋永臣教授、张伦祥副教授、凌铮副教授；大连理工大学杨磊教授、博士生王帅，以及英国曼彻斯特大学 Mehrdad Vasheghani Farahani 研究员、爱丁堡大学 Aliakbar Hassanpouryouzband 研究员共同参与研究。研究获国家自然科学基金重点国际合作研究项目等资助。

值得留意的是研究中"碳的协同利用"这一表述：以 CO₂ 作为水合物客体分子，理论上把温室气体纳入了处理流程，若 CO₂ 来源与碳捕集利用路径结合，则脱水过程本身具备碳利用的延展空间——这为污泥处理与碳减排的耦合提供了一个新的想象方向。

行业观察：从实验室到工程化仍需跨越几道关口

客观地看，水合物法污泥脱水目前仍处于实验室研究阶段，走向工程应用需要回答几个现实问题：

• 规模化反应器设计——水合物形成需要适宜的温度压力条件与充分的传质界面，放大到连续式污泥处理量级时的反应器形式与能耗需重新核算；
• 多级循环的工程简化——实验室的多级形成-分离循环在工程上需转化为连续或半连续的工艺单元，循环次数与设备复杂度的平衡是关键；
• 冷源与碳源保障——CO₂ 供应与制冷系统的可用性、成本，以及冷能回收的工程实现，直接决定技术经济性。

天乙科技有限公司（TIANYI LIMITED）认为，无论水合物路线最终能否规模化，其揭示的方向值得行业重视：污泥脱水的下一轮技术竞争，正在从"脱得更干"转向"脱得更干的同时保持资源属性与低碳属性"。当污泥处置的政策约束持续加严、资源化利用率成为硬指标，那些既能减量又不牺牲后续利用价值的技术路线，将获得越来越大的应用空间。我们将持续跟踪该方向的工程化进展，并在污水处理与污泥处理处置领域为客户提供技术资讯与方案咨询服务。

关于天乙科技： 天乙科技有限公司（TIANYI LIMITED）长期关注全球水环境治理与水资源循环利用前沿动态，深耕污水处理、中水回用领域的技术资讯与产业服务，致力于为客户与行业伙伴提供及时、专业的行业观察与解决方案参考。