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上海交大团队研发新型量子点吸附剂,创新水污染治理
金陵 2015-12-12
导语

伴随现代工业化进程的迅猛发展,近年来水污染事件层出不穷,2006年湖南岳阳砷污染、 2010年福建紫金矿业污水泄漏、2012年广西河池市镉污染……水污染事件的发生不仅让位于爆发点沿岸及下游居民深受其害,长期得不到有效治理对周边环 境亦是巨大影响,而其中的“罪魁”之一便是重金属污染。

伴随现代工业化进程的迅猛发展,近年来水污染事件层出不穷,2006年湖南岳阳砷污染、 2010年福建紫金矿业污水泄漏、2012年广西河池市镉污染……水污染事件的发生不仅让位于爆发点沿岸及下游居民深受其害,长期得不到有效治理对周边环 境亦是巨大影响,而其中的“罪魁”之一便是重金属污染。  

水资源污染事件的频发引起了人们对于水污染治理的高度关注,对重金属污染的有效治理也提出了更为严峻地考验。这类看不见、摸不到的物质如何去除?多 位业内人士表示,当务之急是控制源头污染。然而对于企业而言,现有工业废水处理环节复杂且成本非常高,部分企业污染处理积极性不高,甚至宁愿以罚代处。  

目前国内产业化的重金属吸附材料主要为活性炭、高分子凝胶或离子交换树脂等,前两者利用大的表面积进行物理吸附,存在去除率低,吸附容量小等缺点; 而后者处理成本较高,一般用于深度水处理。如何找到一种既快速高效、成本低廉且易操作的重金属吸附剂,成为一道亟需解决的难题。

随着一种新型“量子点吸附”的问世,这一难题有望得到解决。世界环境日来临之际,记者从上海交通大学环境科学与工程学院特别研究员李良团队获悉,由该团队自主研发的新型铝基/铁基量子点吸附剂在水中重金属处理方面取得较好的进展,有效解决了吸附速率和容量的问题,成为应对水体突发重金属污染和工厂常规污水排放的双重“克星”。  

巧借“量子点”之力 开辟水污染治理新领域

李良是如何发现“量子点”能够有效与水污染治理结合的?这还得从他的研究经历说起。 

归国前,李良在美国一直从事光电材料(量子点)的合成与应用研究。在量子点的合成中,常采用快速简便易行的阳离子交换法。如:CdS量子点通过阳离 子交换可以在1秒内完成于Pb2+/Hg2+的交换转化为PbS/HgS。这种奇特的现象源于量子点巨大的表面积和较低的反应活化能。  

回国进入交大工作,李良结合自己原有的研究背景,根据我国水体重金属污染严重的实际现状和问题,提出了这样的设想:是否可以利用量子点高效的离子交 换性能,制备一种基于量子点的重金属吸附剂,这种技术可以进行重金属污水处理,实现重金属的快速去除分离,有效避免重金属污染事故的发生?基于此,李良研 究员带领团队进行了大量开创性的工作,将研究方向锁定在新型量子点重金属吸附的制备和应用上,自主研发出基于无毒量子点的铝基吸附剂。  

在铝基量子点吸附剂扩大生产之前,了解吸附剂在重金属污染水体中如何操作是非常必要的,据此,研究人员将吸附剂用于铅矿冶炼厂进行产品试用,发现吸 附剂的吸附效果显著,1克吸附剂可处理两吨Pb2+浓度1 mg/L的污水,远高于市售活性炭的60-120 mg/g,且吸附速度快,5秒钟即可去除99.9%的重金属,5 分钟可使重金属浓度低于1μg/L (1ppb),达国家饮用水标准。  

然而,此时高兴尤为过早,在使用过程中吸附剂出现了分离困难的问题。

破解分离难题 磁性“量子点吸附剂”横空出世

针对铝基吸附剂试用过程中出现的问题,李良团队坚持不懈,通过反复实验研究论证,终于找到一种合适的载体,合成了高容量、高速率的磁性铁基量子点吸 附剂。“升级版”的磁性量子点吸附剂在保持原有吸附剂吸附容量的前提下,可以利用其超顺磁性进行高效的分离回收,从而有效解决了水污染处理中难于分离沉淀 的问题。  

例如,一杯铅废水(浓度为国家污水排放标准的200倍),倒入一小勺铁基量子点吸附剂,5分钟铅即被固定下来,采用磁铁可在10 秒内完成分离废水变净水,水中重金属含量可达到国家饮用水标准。昨日,研究人员现场向记者展示了这一神奇现象。  

李良同时介绍到,处理污水通常采用的活性炭或聚合氯化铝等絮凝剂,产生大量污泥废料,处理污水后会留下新的污染。然而量子点吸附剂本身就是绿色环保材料,由于其超高的吸附容量残渣量极小,且处理后的重金属是以固化的方式固定下来,有效解决重金属处理后的二次污染问题。  

量子点吸附剂因其超高的重金属处理容量及速率(可在5分钟内完成吸附)有望解决突发流动水体重金属污染事件所面临的快速处理问题,在流动性水体中快 速降低污染物浓度,避免扩散。以水体污染需100公斤量子点吸附剂清除重金属为例,同等污染条件下活性炭的需用量为1.6-3.3 吨。经济成本远低于常规吸附材料和传统絮凝沉淀法。记者了解到,该成果除了可有效吸附水中铅外,还可有效推广到汞、镉、铬、砷(类金属)、铜、镍等其他重 金属污染体系,作为广谱重金属吸附剂,处理工业废水及作为应急环保材料以便快速有效应对水体突发重金属污染事件。  

那么,功能如此强大的新型吸附剂会不会价格不菲呢?带着这个疑问,记者进一步了解到,目前,国内工厂废水治理常采用复杂的工艺流程,需大量絮凝剂或吸附剂,在后续处理中产生污泥残渣,且运行成本较高。若以量子点吸附剂用于污水重金属的处理,一套日处理废水量为10吨的污水处理设备,以铅浓度为50mg/L为例,设备运行过程中仅需300g(理论计算量为250g)就可保证出水重金属的达标排放。虽然量子点吸附剂价格较普通吸附材料稍高,但其吸附容量是普通吸附剂的数十倍,用量极少,综合运行成本依然具有非常大的优势。  

李良表示,作为一名科研工作者,自己时刻关心着现今的污染治理状况,特别是归国后,他特别希望尽自己的绵薄之力,让研究成果为环境污染治理贡献一份力。 

目前该研究已申请五项中国专利,李良研究员带领的科研团队还与公司合作,共同进行量子点吸附剂的规模化扩大生产研究,在实验生产的情况下,可实现单次5公斤/小时吸附剂产品的制备。预计不久的将来,有望实现规模化生产,真正成为工厂污水重金属的“克星”。

李良研究员简介:

上海交通大学环境科学与工程学院特别研究员,Email:liangli117@sjtu.edu.cn

研究方向:

1. 环境功能纳米材料 (大容量快速吸附材料、光催化材料);

2. 新能源(太阳能电池材料制备和器件制备);

3. 荧光量子点的制备及其应用(LED照明、显示、特殊光源)

(本文整理自上海交通大学环境科学与工程学院网站http://sese.sjtu.edu.cn

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作者 金陵

本科生

北京大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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