隨著現代工業(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。這類看不見、摸不到的物質如何去除？一個來自中科院合肥院智能所的科研團隊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合材料，大量實驗證明，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（以下簡稱智能所）副所長劉錦淮日前在接受《中國科學報》記者采訪時透露。
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科研團隊，對來自內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行鈷污染模擬實驗，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，深化重點流域重污染行業(yè)水污染專項整治。
在劉錦淮看來，治理水污染、保護水環(huán)境刻不容緩。工業(yè)廢水、礦山開采和金屬冶煉等產生的污染物通過不同的方式進入水環(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,其底質污染率高達80.1%,而且已經開始影響到水體的質量。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。
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，只需微量濃度即會對人與動植物產生毒性效應。并且，毒性具有持續(xù)性和放大作用，經過生物累積可在生物體內成千上萬倍累積，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，在國家重大科學研究計劃項目“應用納米技術去除飲用水中微污染物的基礎研究”等項目的支持下，“973”項目首席科學家劉錦淮與中科院“引進海外杰出人才”黃行九帶領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生的。
通過初步調研，他們發(fā)現目前我國實際水環(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實際解決這些問題。”黃行九說。研究中之所以選擇鈷離子作為主要污染物，是因為水中重金屬離子鈷在高濃度時會引起諸多嚴重的健康問題，如低血壓、癱瘓、腹瀉和骨缺陷，也會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難題。
比如材料的選擇。科研人員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(wěn)定、無毒、比表面積大、利于功能化等優(yōu)點。
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問題上——結合基礎化學方法，選擇氨基化氧化石墨烯材料進行實驗，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，怎樣才能夠結合上更多的活性位點成為一個重要的問題。
經過大量文獻調研及實驗摸索，他們找到了一種利用簡單的有機化學反應在材料表面接上更多的活性位點，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氮元素的含量達到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，“這在目前已經算是吸附容量最大的材料之一”。
在進行吸附去除實驗時，石墨烯的團聚問題曾令科研人員頭疼。石墨烯極易團聚，一旦團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生團聚的。
在經過幾次不理想的實驗之后，他們嘗試直接用膠體態(tài)的氨基化氧化石墨烯來實驗，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，降低了成本和時間。
正是這樣一步步地堅持，科研團隊最終在實驗室里做出了理想的材料。下一步，他們面對的是該材料實際應用的瓶頸——量產問題。未來，他們主要任務是進一步優(yōu)化氨基化石墨烯除鈷材料的合成路線，重點是提高產量，降低成本，再優(yōu)化膜制備技術工藝，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合作事宜。“我們希望能借助企業(yè)的力量實現該材料的規(guī)模化生產，盡快完成中試進程，加快其推廣應用，為治理水污染貢獻力量。”劉錦淮說。
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