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重金属污染待解:氧化石墨烯材料带来希望

2015-02-04 15:43
风频浪劲
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  “中国人的身体就是一张元素周期表!”

  这一调侃虽未免夸张,却形象地表达了国人对重金属污染的担忧。2005年珠江支流北江镉污染、2006年湖南岳阳砷污染、2010年福建紫金矿业重大污染、2012年广西河池市镉污染……令人触目惊心的重大水资源污染事件敲响了水资源保护的警钟,重金属污染土壤问题也给我们的粮食安全生产提出了严肃的课题,也对有效治理水资源的重金属污染提出了更高的标准。

  目前,处理水资源中重金属的常用材料是活性炭、沸石和交换树脂等,而成本较低的活性炭和沸石吸附能力差,吸附能力强的树脂和碳纤维价格昂贵。近日,笔者从利特纳米技术有限责任公司获悉,该公司“千人计划”海外特聘专家侯士峰博士团队自主研发的新型氧化石墨烯材料,有效解决了吸附能力和成本之间的矛盾。

  吸附力:活性炭的十几倍

  作为从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料,石墨烯实际上是碳的二维结构。石墨烯成名的时间并不长:2010年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫凭借“在二维石墨烯材料的开创性实验”共同获得当年诺贝尔物理学奖,石墨烯由此名声大噪。

  石墨烯出道虽晚,但来头可不小,随意说出它的几个特性都是世界之最:目前已知世界上最薄的材料,目前已知强度最高的物质,还是目前已知导电性能最出色的材料……

  近几年,石墨烯材料又凭借其优良的吸附性能找到了新的用武之地——用作水处理剂。2012年初,安德烈·海姆教授研究发现氧化石墨烯薄膜可屏蔽除水之外所有其他分子,洛克希德马丁公司斥巨资开发基于石墨烯材料的海水淡化装置,石墨烯材料有望在海水净化、污水处理等方面大显身手,目前,美国等国家在这方面也取得很大的进展。而侯士峰博士针对当前我国重金属污染物的现状及存在的问题,自主研发的用于环境重金属处理的新型氧化石墨烯材料也属世界首创。

  氧化石墨烯是一种从天然石墨制备的、与碳纳米管结构相似的碳纳米材料。侯士峰称,对比活性碳、碳纳米管和石墨烯材料对低浓度含铅废水的吸附能力,氧化石墨烯对铅的吸附量高达800mg/g,远高于活性炭的60至120mg/g;同时,氧化石墨烯具有极强的再生能力,多次重复吸附/洗脱循环后的吸附能力仅下降5至10%。

  氧化石墨烯何以拥有这么强大的重金属吸附能力?原因有二:一是氧化石墨烯是单原子层厚度的二维结构纳米材料,其比表面积理论上可达2600平方米/克,在所有碳纳米材料中是最大的;二是在氧化石墨烯的制备过程中,其表面形成了大量的活性基团如羧基、羰基、羟基、环氧基等。因此,氧化石墨烯具有一个性能优异的吸附剂所需要的最基本的要素:足够大的比表面积和足够高的表面功能基团密度。

  侯士峰介绍,利用氧化石墨烯材料可把铅酸电池行业含铅废水排放浓度从现在的100—1000ppb降低到1—10ppb、铅回收率提高到95%—99%,铅环境排放总量比现有技术降低90%。笔者了解到,该成果可有效推广到镉、镍、砷、铜、铬、放射性元素等其他重金属污染体系,具有十分可观的经济效益和社会效益。

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