中科院合肥院智能所“织网”捕捉水中重金属

随着现代工业的迅猛发展，不少地方的水环境均不同程度地遭受污染，“罪魁”之一便是重金属污染。这类看不见、摸不到的物质如何去除？一个来自中科院合肥院智能所的科研团队正在利用专长攻克难题。

新型材料去除水中钴离子原理图

“我们制备了一种新型的氨基化氧化石墨烯纳米复合材料，大量实验证明，这种新型材料可快速、高效地去除水中钴离子。”中科院合肥研究院合肥智能机械研究所（以下简称智能所）副所长刘锦淮日前在接受《中国科学报》记者采访时透露。

利用这种新型的氨基化氧化石墨烯（GO-NH2）纳米复合材料，刘锦淮与智能所研究员黄行九带领科研团队，对来自内蒙古托克托县兴旺庄村、安徽蒙城县三义镇的以及普通自来水这三种水样进行钴污染模拟实验，效果非常理想。

该研究成果已发表在环境类知名期刊《危险材料杂志》上。评审人认为：“这是一项精细且效果突出的工作。”

水环境保护备受重视

不久前，环境保护部联合其他七大部委“重拳”出击，将重点开展涉重金属和医药制造行业排污监督检查，深化重点流域重污染行业水污染专项整治。

在刘锦淮看来，治理水污染、保护水环境刻不容缓。工业废水、矿山开采和金属冶炼等产生的污染物通过不同的方式进入水环境中，国内不少地方的水环境均受到不同程度污染。有数据表明，我国各大江河湖库普遍受到不同程度的重金属污染,其底质污染率高达80.1%,而且已经开始影响到水体的质量。例如，黄河、淮河、松花江、辽河等十大流域的流域片，重金属超标断面的污染程度均为Ⅴ类。

科研人员发现，重金属污染与有机污染物不同，重金属不能被微生物所分解，其流入水体后，可通过食物链在生物体内逐步富集。而重金属不断富集后，只需微量浓度即会对人与动植物产生毒性效应。并且，毒性具有持续性和放大作用，经过生物累积可在生物体内成千上万倍累积，特别是在人体内一定部位积累最终致使人体中毒甚至致癌。

近年来，在国家重大科学研究计划项目“应用纳米技术去除饮用水中微污染物的基础研究”等项目的支持下，“973”项目首席科学家刘锦淮与中科院“引进海外杰出人才”黄行九带领研究团队在水污染物重金属污染物治理中取得了系列成果，此次取得的创新成果正是在这一背景下产生的。

通过初步调研，他们发现目前我国实际水环境重金属污染存在两大问题：一是很多缺水地区的居民都饮用地下水，而大部分地区的深层地下水中的矿物质含量均已超标，影响人们身体健康；二是工业污染使得含有重金属等有毒物质排放到自然环境中，再转移到饮用水中，其结果可想而知。

“我们希望运用科技来实际解决这些问题。”黄行九说。研究中之所以选择钴离子作为主要污染物，是因为水中重金属离子钴在高浓度时会引起诸多严重的健康问题，如低血压、瘫痪、腹泻和骨缺陷，也会导致活细胞基因突变。此外，放射性钴-60还是重要的核污染物。

搞定“难搞”的石墨材料

在氨基化氧化石墨烯纳米复合材料的研究中，刘锦淮与黄行九团队遇到了几个难题。

比如材料的选择。科研人员在一系列的文献调研比较之后，选定了石墨烯基材料。作为一种新型材料，石墨烯具有稳定、无毒、比表面积大、利于功能化等优点。

但是，在研究中他们发现，氧化石墨烯也能去除水中重金属离子，可它的吸附容量并不高。怎样在其基础上改进材料，增加其吸附效率成了他们要解决的问题。

研究人员将其回归到最基本地化学问题上——结合基础化学方法，选择氨基化氧化石墨烯材料进行实验，用它来去除水中重金属钴离子。

如何用最少的材料最大程度地去除污染物？这给科研人员提出了新要求，怎样才能够结合上更多的活性位点成为一个重要的问题。

经过大量文献调研及实验摸索，他们找到了一种利用简单的有机化学反应在材料表面接上更多的活性位点，从而加大了材料对污染离子的吸附去除效果，在最终制备得到的材料中活性位点氮元素的含量达到3.72%。

“还有就是材料的吸附处理的问题。”黄行九告诉记者。他们将制备得到的氨基化氧化石墨烯用于去除水中重金属离子，发现效果还是很突出的——最大饱和吸附容量可以达到116.35mg/g，“这在目前已经算是吸附容量最大的材料之一”。

在进行吸附去除实验时，石墨烯的团聚问题曾令科研人员头疼。石墨烯极易团聚，一旦团聚就会使吸附效果大打折扣，而石墨烯从液态到干燥的过程是最容易产生团聚的。

在经过几次不理想的实验之后，他们尝试直接用胶体态的氨基化氧化石墨烯来实验，这又给材料的量取增加了难度。最终，他们采用体积测量的方法量取材料用于吸附处理，这样不仅增加了吸附效率，而且还减少了干燥这一步，降低了成本和时间。

正是这样一步步地坚持，科研团队最终在实验室里做出了理想的材料。下一步，他们面对的是该材料实际应用的瓶颈——量产问题。未来，他们主要任务是进一步优化氨基化石墨烯除钴材料的合成路线，重点是提高产量，降低成本，再优化膜制备技术工艺，并推广应用。

目前，他们正和中霖中科环境科技有限公司洽谈相关合作事宜。“我们希望能借助企业的力量实现该材料的规模化生产，尽快完成中试进程，加快其推广应用，为治理水污染贡献力量。”刘锦淮说。