隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，不少地方的水環(huán)境均不同程度地遭受污染，“罪魁”之一便是重金屬污染。這類看不見、摸不到的物質(zhì)如何去除？一個(gè)來自中科院合肥院智能所的科研團(tuán)隊(duì)正在利用專長攻克難題。
“我們制備了一種新型的氨基化氧化石墨烯納米復(fù)合材料，大量實(shí)驗(yàn)證明，這種新型材料可快速、高效地去除水中鈷離子。”中科院合肥研究院合肥智能機(jī)械研究所（以下簡稱智能所）副所長劉錦淮日前在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)透露。
利用這種新型的氨基化氧化石墨烯（GO-NH2）納米復(fù)合材料，劉錦淮與智能所研究員黃行九帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)，對來自內(nèi)蒙古托克托縣興旺莊村、安徽蒙城縣三義鎮(zhèn)的以及普通自來水這三種水樣進(jìn)行鈷污染模擬實(shí)驗(yàn)，效果非常理想。
該研究成果已發(fā)表在環(huán)境類知名期刊《危險(xiǎn)材料雜志》上。評審人認(rèn)為：“這是一項(xiàng)精細(xì)且效果突出的工作。”
水環(huán)境保護(hù)備受重視
不久前，環(huán)境保護(hù)部聯(lián)合其他七大部委“重拳”出擊，將重點(diǎn)開展涉重金屬和醫(yī)藥制造行業(yè)排污監(jiān)督檢查，深化重點(diǎn)流域重污染行業(yè)水污染專項(xiàng)整治。
在劉錦淮看來，治理水污染、保護(hù)水環(huán)境刻不容緩。工業(yè)廢水、礦山開采和金屬冶煉等產(chǎn)生的污染物通過不同的方式進(jìn)入水環(huán)境中，國內(nèi)不少地方的水環(huán)境均受到不同程度污染。有數(shù)據(jù)表明，我國各大江河湖庫普遍受到不同程度的重金屬污染,其底質(zhì)污染率高達(dá)80.1%,而且已經(jīng)開始影響到水體的質(zhì)量。例如，黃河、淮河、松花江、遼河等十大流域的流域片，重金屬超標(biāo)斷面的污染程度均為Ⅴ類。
科研人員發(fā)現(xiàn)，重金屬污染與有機(jī)污染物不同，重金屬不能被微生物所分解，其流入水體后，可通過食物鏈在生物體內(nèi)逐步富集。而重金屬不斷富集后，只需微量濃度即會對人與動(dòng)植物產(chǎn)生毒性效應(yīng)。并且，毒性具有持續(xù)性和放大作用，經(jīng)過生物累積可在生物體內(nèi)成千上萬倍累積，特別是在人體內(nèi)一定部位積累最終致使人體中毒甚至致癌。
近年來，在國家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目“應(yīng)用納米技術(shù)去除飲用水中微污染物的基礎(chǔ)研究”等項(xiàng)目的支持下，“973”項(xiàng)目首席科學(xué)家劉錦淮與中科院“引進(jìn)海外杰出人才”黃行九帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在水污染物重金屬污染物治理中取得了系列成果，此次取得的創(chuàng)新成果正是在這一背景下產(chǎn)生的。
通過初步調(diào)研，他們發(fā)現(xiàn)目前我國實(shí)際水環(huán)境重金屬污染存在兩大問題：一是很多缺水地區(qū)的居民都飲用地下水，而大部分地區(qū)的深層地下水中的礦物質(zhì)含量均已超標(biāo)，影響人們身體健康；二是工業(yè)污染使得含有重金屬等有毒物質(zhì)排放到自然環(huán)境中，再轉(zhuǎn)移到飲用水中，其結(jié)果可想而知。
“我們希望運(yùn)用科技來實(shí)際解決這些問題。”黃行九說。研究中之所以選擇鈷離子作為主要污染物，是因?yàn)樗兄亟饘匐x子鈷在高濃度時(shí)會引起諸多嚴(yán)重的健康問題，如低血壓、癱瘓、腹瀉和骨缺陷，也會導(dǎo)致活細(xì)胞基因突變。此外，放射性鈷-60還是重要的核污染物。
搞定“難搞”的石墨材料
在氨基化氧化石墨烯納米復(fù)合材料的研究中，劉錦淮與黃行九團(tuán)隊(duì)遇到了幾個(gè)難題。
比如材料的選擇?？蒲腥藛T在一系列的文獻(xiàn)調(diào)研比較之后，選定了石墨烯基材料。作為一種新型材料，石墨烯具有穩(wěn)定、無毒、比表面積大、利于功能化等優(yōu)點(diǎn)。
但是，在研究中他們發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯也能去除水中重金屬離子，可它的吸附容量并不高。怎樣在其基礎(chǔ)上改進(jìn)材料，增加其吸附效率成了他們要解決的問題。
研究人員將其回歸到最基本地化學(xué)問題上——結(jié)合基礎(chǔ)化學(xué)方法，選擇氨基化氧化石墨烯材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用它來去除水中重金屬鈷離子。
如何用最少的材料最大程度地去除污染物？這給科研人員提出了新要求，怎樣才能夠結(jié)合上更多的活性位點(diǎn)成為一個(gè)重要的問題。
經(jīng)過大量文獻(xiàn)調(diào)研及實(shí)驗(yàn)摸索，他們找到了一種利用簡單的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)在材料表面接上更多的活性位點(diǎn)，從而加大了材料對污染離子的吸附去除效果，在最終制備得到的材料中活性位點(diǎn)氮元素的含量達(dá)到3.72%。
“還有就是材料的吸附處理的問題。”黃行九告訴記者。他們將制備得到的氨基化氧化石墨烯用于去除水中重金屬離子，發(fā)現(xiàn)效果還是很突出的——最大飽和吸附容量可以達(dá)到116.35mg/g，“這在目前已經(jīng)算是吸附容量最大的材料之一”。
在進(jìn)行吸附去除實(shí)驗(yàn)時(shí)，石墨烯的團(tuán)聚問題曾令科研人員頭疼。石墨烯極易團(tuán)聚，一旦團(tuán)聚就會使吸附效果大打折扣，而石墨烯從液態(tài)到干燥的過程是最容易產(chǎn)生團(tuán)聚的。
在經(jīng)過幾次不理想的實(shí)驗(yàn)之后，他們嘗試直接用膠體態(tài)的氨基化氧化石墨烯來實(shí)驗(yàn)，這又給材料的量取增加了難度。最終，他們采用體積測量的方法量取材料用于吸附處理，這樣不僅增加了吸附效率，而且還減少了干燥這一步，降低了成本和時(shí)間。
正是這樣一步步地堅(jiān)持，科研團(tuán)隊(duì)最終在實(shí)驗(yàn)室里做出了理想的材料。下一步，他們面對的是該材料實(shí)際應(yīng)用的瓶頸——量產(chǎn)問題。未來，他們主要任務(wù)是進(jìn)一步優(yōu)化氨基化石墨烯除鈷材料的合成路線，重點(diǎn)是提高產(chǎn)量，降低成本，再優(yōu)化膜制備技術(shù)工藝，并推廣應(yīng)用。
目前，他們正和中霖中科環(huán)境科技有限公司洽談相關(guān)合作事宜。“我們希望能借助企業(yè)的力量實(shí)現(xiàn)該材料的規(guī)模化生產(chǎn)，盡快完成中試進(jìn)程，加快其推廣應(yīng)用，為治理水污染貢獻(xiàn)力量。”劉錦淮說。
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