某些類(lèi)型的水污染，例如藻類(lèi)大量繁殖和污染河流、湖泊和海洋環(huán)境的塑料顯而易見(jiàn)。但其他污染物并不那么明顯，這使得它們的影響可能更加危險(xiǎn)。在這些看不見(jiàn)的物質(zhì)中，有鈾。正從采礦作業(yè)站、核廢料場(chǎng)或天然地下沉積物滲入水資源，現(xiàn)在可以發(fā)現(xiàn)這種元素從世界各地的水龍頭中流出。
僅在美國(guó)，“許多地區(qū)都受到鈾污染的影響，包括為600萬(wàn)人提供飲用水的高原和中央山谷含水層，”核科學(xué)與工程系博士后 Ahmed Sami Helal 說(shuō)。這種污染構(gòu)成了近在眼前的危險(xiǎn)。“即使是很小的濃度也不利于人類(lèi)健康，”巴特爾能源聯(lián)盟核科學(xué)與工程教授兼材料科學(xué)與工程教授 Ju Li 說(shuō)。
現(xiàn)在，由李領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種高效去除飲用水中鈾的方法。對(duì)氧化石墨烯泡沫施加電荷，研究人員可以捕獲溶液中的鈾，鈾以凝聚的固體晶體形式沉淀出來(lái)。泡沫可以重復(fù)使用多達(dá)七次而不會(huì)失去其電化學(xué)性能。“在數(shù)小時(shí)內(nèi)，我們的工藝可以?xún)艋罅康陀贓PA鈾限值的飲用水，”李說(shuō)。
本周《Advanced Materials》 發(fā)表了一篇描述這項(xiàng)工作的論文。兩位第一共同作者是 Helal 和 Chao Wang，他們?cè)谘芯科陂g是麻省理工學(xué)院的博士后，現(xiàn)就職于上海同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。來(lái)自阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、臺(tái)灣國(guó)立交通大學(xué)和東京大學(xué)的研究人員也參與了這項(xiàng)研究。國(guó)防威脅減少局（美國(guó)國(guó)防部）資助了這項(xiàng)工作的后期階段。
針對(duì)污染物
該項(xiàng)目于三年前啟動(dòng)，最初是為了尋找更好的方法來(lái)清理礦場(chǎng)中的重金屬。迄今為止，對(duì)鉻、鎘、砷、鉛、汞、鐳和鈾等金屬的修復(fù)方法已被證明是有限且昂貴的。“這些技術(shù)對(duì)水中的有機(jī)物高度敏感，無(wú)法分離重金屬污染物，” Helal 解釋說(shuō)。“因此，它們的運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，資本成本高，并且在提取結(jié)束時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的有毒污泥。”
對(duì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，鈾似乎是一個(gè)特別有吸引力的目標(biāo)。美國(guó)地質(zhì)服務(wù)局和環(huán)境保護(hù)署 (EPA) 的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，從美國(guó)東北部的天然巖石來(lái)源、從漢福德等地儲(chǔ)存舊核武器和燃料的池塘和坑中，不健康水平的鈾進(jìn)入水庫(kù)和含水層。華盛頓，以及位于許多西部州的采礦活動(dòng)。這種污染在許多其他國(guó)家也很普遍。數(shù)量驚人的這些站點(diǎn)顯示鈾濃度接近或高于 EPA 建議的十億分之 30 (ppb) 的上限——這一水平會(huì)造成腎臟損傷、癌癥風(fēng)險(xiǎn)和人類(lèi)的神經(jīng)行為變化。
關(guān)鍵的挑戰(zhàn)在于找到一種專(zhuān)門(mén)對(duì)鈾敏感的實(shí)用修復(fù)方法，能夠從溶液中提取它而不會(huì)產(chǎn)生有毒殘留物。雖然早期的研究表明，帶電碳纖維可以從水中過(guò)濾鈾，但結(jié)果是不完整和不精確的。
王女士根據(jù)她對(duì)用于鋰硫電池的石墨烯泡沫行為的研究，設(shè)法解決了這些問(wèn)題。“這種泡沫的物理性能是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樗軌驅(qū)⒛承┗瘜W(xué)物質(zhì)吸引到其表面，”她說(shuō)。“我認(rèn)為石墨烯泡沫中的配體可以很好地與鈾配合使用。”
簡(jiǎn)單、高效、干凈
該團(tuán)隊(duì)開(kāi)始著手將石墨烯泡沫轉(zhuǎn)化為鈾磁鐵的等效物。他們了解到，通過(guò)向泡沫發(fā)送電荷、分解水并釋放氫，它們可以提高局部 pH 值并引發(fā)化學(xué)變化，將鈾離子從溶液中拉出。研究人員發(fā)現(xiàn)，鈾會(huì)自行嫁接到泡沫表面，在那里形成一種前所未見(jiàn)的結(jié)晶氫氧化鈾。在電荷反轉(zhuǎn)時(shí)，這種類(lèi)似魚(yú)鱗的礦物質(zhì)很容易從泡沫上滑落。
花了數(shù)百次嘗試才能使化學(xué)成分和電解恰到好處。“我們不斷改變功能性化學(xué)基團(tuán)以使其正常工作，”Helal說(shuō)。“而且泡沫最初很脆弱，容易碎裂，所以我們需要讓它更堅(jiān)固耐用，”王說(shuō)。
這種鈾過(guò)濾過(guò)程簡(jiǎn)單、高效且清潔據(jù)李說(shuō)：“每次使用時(shí)，我們的泡沫可以捕獲四倍于自身重量的鈾，我們可以實(shí)現(xiàn)每克 4,000 毫克的提取能力，這是一個(gè)與其他方法相比有重大改進(jìn)，”他說(shuō)。“我們還在可重復(fù)使用性方面取得了重大突破，因?yàn)榕菽梢越?jīng)過(guò)七個(gè)循環(huán)而不會(huì)失去其提取效率。”石墨烯泡沫在海水中也能發(fā)揮作用，它將鈾濃度從百萬(wàn)分之3降低到19.9 ppb，表明鹽水中的其他離子不會(huì)干擾過(guò)濾。
該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，其低成本、高效的設(shè)備可以成為一種新型的家用濾水器，可以安裝在商業(yè)品牌的水龍頭上。“其中一些過(guò)濾器已經(jīng)有活性炭，所以也許我們可以修改它們，添加低壓電力來(lái)過(guò)濾鈾，”李說(shuō)。
“與現(xiàn)有方法相比，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)的鈾提取非常令人印象深刻，”韓國(guó)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)學(xué)院核與量子工程副教授 Ho Jin Ryu 說(shuō)。未參與該研究的 Ryu 認(rèn)為，石墨烯泡沫可重復(fù)使用性的證明是“重大進(jìn)步”，并且“局部 pH 控制以增強(qiáng)鈾沉積的技術(shù)將具有影響力，因?yàn)榭茖W(xué)原理可以更廣泛地應(yīng)用從受污染的水中提取重金屬。”
研究人員已經(jīng)開(kāi)始研究他們方法的更廣泛應(yīng)用。“這是有科學(xué)依據(jù)的，所以我們可以修改我們的過(guò)濾器，使其對(duì)鉛、汞和鎘等其他重金屬有選擇性，”李說(shuō)。他指出，鐳是美國(guó)和其他地方缺乏可靠飲用水基礎(chǔ)設(shè)施資源的另一個(gè)重大危險(xiǎn)。
“未來(lái)，我們可以使用由清潔電力驅(qū)動(dòng)的智能過(guò)濾器，而不是被動(dòng)式濾水器，該過(guò)濾器開(kāi)啟電解作用，可以提取多種有毒金屬，告訴您何時(shí)再生過(guò)濾器，并為您提供質(zhì)量保證你喝的水。”
摘自《The Graphene Council》網(wǎng)站
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號(hào)
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