隨著(zhù)現代工業(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(lèi)看不見(jiàn)、摸不到的物質(zhì)如何去除？一個(gè)來(lái)自中科院合肥院智能所的科研團隊正在利用專(zhuān)長(cháng)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合材料，大量實(shí)驗證明，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械研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)智能所）副所長(cháng)劉錦淮日前在接受《中國科學(xué)報》記者采訪(fǎng)時(shí)透露。
利用這種新型的氨基化氧化石墨烯（GO-NH2）納米復合材料，劉錦淮與智能所研究員黃行九帶領(lǐng)科研團隊，對來(lái)自?xún)让晒磐锌送锌h興旺莊村、安徽蒙城縣三義鎮的以及普通自來(lái)水這三種水樣進(jìn)行鈷污染模擬實(shí)驗，效果非常理想。
該研究成果已發(fā)表在環(huán)境類(lèi)知名期刊《危險材料雜志》上。評審人認為：“這是一項精細且效果突出的工作。”
水環(huán)境保護備受重視
不久前，環(huán)境保護部聯(lián)合其他七大部委“重拳”出擊，將重點(diǎn)開(kāi)展涉重金屬和醫藥制造行業(yè)排污監督檢查，深化重點(diǎn)流域重污染行業(yè)水污染專(zhuān)項整治。
在劉錦淮看來(lái)，治理水污染、保護水環(huán)境刻不容緩。工業(yè)廢水、礦山開(kāi)采和金屬冶煉等產(chǎn)生的污染物通過(guò)不同的方式進(jìn)入水環(huán)境中，國內不少地方的水環(huán)境均受到不同程度污染。有數據表明，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80.1%,而且已經(jīng)開(kāi)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，重金屬超標斷面的污染程度均為Ⅴ類(lèi)。
科研人員發(fā)現，重金屬污染與有機污染物不同，重金屬不能被微生物所分解，其流入水體后，可通過(guò)食物鏈在生物體內逐步富集。而重金屬不斷富集后，只需微量濃度即會(huì )對人與動(dòng)植物產(chǎn)生毒性效應。并且，毒性具有持續性和放大作用，經(jīng)過(guò)生物累積可在生物體內成千上萬(wàn)倍累積，特別是在人體內一定部位積累最終致使人體中毒甚至致癌。
近年來(lái)，在國家重大科學(xué)研究計劃項目“應用納米技術(shù)去除飲用水中微污染物的基礎研究”等項目的支持下，“973”項目首席科學(xué)家劉錦淮與中科院“引進(jìn)海外杰出人才”黃行九帶領(lǐng)研究團隊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(guò)初步調研，他們發(fā)現目前我國實(shí)際水環(huán)境重金屬污染存在兩大問(wèn)題：一是很多缺水地區的居民都飲用地下水，而大部分地區的深層地下水中的礦物質(zhì)含量均已超標，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，再轉移到飲用水中，其結果可想而知。
“我們希望運用科技來(lái)實(shí)際解決這些問(wèn)題。”黃行九說(shuō)。研究中之所以選擇鈷離子作為主要污染物，是因為水中重金屬離子鈷在高濃度時(shí)會(huì )引起諸多嚴重的健康問(wèn)題，如低血壓、癱瘓、腹瀉和骨缺陷，也會(huì )導致活細胞基因突變。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合材料的研究中，劉錦淮與黃行九團隊遇到了幾個(gè)難題。
比如材料的選擇?？蒲腥藛T在一系列的文獻調研比較之后，選定了石墨烯基材料。作為一種新型材料，石墨烯具有穩定、無(wú)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，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。怎樣在其基礎上改進(jìn)材料，增加其吸附效率成了他們要解決的問(wèn)題。
研究人員將其回歸到最基本地化學(xué)問(wèn)題上——結合基礎化學(xué)方法，選擇氨基化氧化石墨烯材料進(jìn)行實(shí)驗，用它來(lái)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，怎樣才能夠結合上更多的活性位點(diǎn)成為一個(gè)重要的問(wèn)題。
經(jīng)過(guò)大量文獻調研及實(shí)驗摸索，他們找到了一種利用簡(jiǎn)單的有機化學(xué)反應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)氮元素的含量達到3.72%。
“還有就是材料的吸附處理的問(wèn)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)現效果還是很突出的——最大飽和吸附容量可以達到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)驗時(shí)，石墨烯的團聚問(wèn)題曾令科研人員頭疼。石墨烯極易團聚，一旦團聚就會(huì )使吸附效果大打折扣，而石墨烯從液態(tài)到干燥的過(guò)程是最容易產(chǎn)生團聚的。
在經(jīng)過(guò)幾次不理想的實(shí)驗之后，他們嘗試直接用膠體態(tài)的氨基化氧化石墨烯來(lái)實(shí)驗，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持，科研團隊最終在實(shí)驗室里做出了理想的材料。下一步，他們面對的是該材料實(shí)際應用的瓶頸——量產(chǎn)問(wèn)題。未來(lái)，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(xiàn)，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)現該材料的規?；a(chǎn)，盡快完成中試進(jìn)程，加快其推廣應用，為治理水污染貢獻力量。”劉錦淮說(shuō)。
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