使用石墨烯泡沫过滤饮用水中的毒素

某些类型的水污染，例如藻类大量繁殖和污染河流、湖泊和海洋环境的塑料，显而易​​见。但其他污染物并不那么明显，这使得它们的影响可能更加危险。在这些看不见的物质中，有铀。从采矿作业、核废料场或天然地下沉积物渗入水资源，现在可以发现这种元素从世界各地的水龙头中流出。

仅在，“许多地区都受到铀污染的影响，包括为 600 万人提供饮用水的高原和中央山谷含水层，”核科学与工程系博士后 Ahmed Sami Helal 说。这种污染构成了近在眼前的危险。“即使是很小的浓度也不利于人类健康，”巴特尔能源联盟核科学与工程教授兼材料科学与工程教授 Ju Li 说。

现在，由李领导的团队设计了一种高效去除饮用水中铀的方法。对氧化石墨烯泡沫施加电荷，研究人员可以捕获溶液中的铀，铀以凝聚的固体晶体形式沉淀出来。泡沫最多可重复使用七次而不会失去其电化学性能。“在数小时内，我们的工艺可以净化大量低于 EPA 铀限值的饮用水，”李说。

一篇描述这项工作的论文发表在本周的Advanced Materials 上。两位第一共同作者是 Helal 和 Chao Wang，他们在研究期间是麻省理工学院的博士后，现就职于上海同济大学材料科学与工程学院。来自阿贡国家实验室、国立交通大学和东京大学的研究人员也参与了这项研究。国防威胁减少局(国防部)资助了这项工作的后期阶段。

针对污染物

该项目于三年前启动，最初是为了寻找更好的方法来清理矿场中的重金属。迄今为止，对铬、镉、砷、铅、汞、镭和铀等金属的修复方法已被证明是有限且昂贵的。“这些技术对水中的有机物高度敏感，无法分离重金属污染物，”Helal 解释说。“因此它们的运行时间长，资本成本高，并且在提取结束时会产生更多的有毒污泥。”

对团队来说，铀似乎是一个特别有吸引力的目标。地质服务局和环境保护署 (EPA) 的现场测试表明，从东北部的天然岩石来源、从汉福德等地储存旧核武器和燃料的池塘和坑中，不健康水平的铀进入水库和含水层。 ，华盛顿，以及位于许多西部州的采矿活动。这种污染在许多其他国家也很普遍。数量惊人的这些站点显示铀浓度接近或高于 EPA 建议的十亿分之 30 (ppb) 的上限——这一水平与肾脏损伤、癌症风险和人类的神经行为变化有关。

关键的挑战在于找到一种专门对铀敏感的实用修复方法，能够从溶液中提取它而不会产生有毒残留物。虽然早期的研究表明，带电碳纤维可以从水中过滤铀，但结果是不完整和不精确的。

王女士根据她对用于锂硫电池的石墨烯泡沫行为的研究，设法解决了这些问题。“这种泡沫的物理性能是独一无二的，因为它能够将某些化学物质吸引到其表面，”她说。“我认为石墨烯泡沫中的配体与铀配合得很好。”

简单、高效、干净

该团队开始着手将石墨烯泡沫转化为铀磁铁的等效物。他们了解到，通过向泡沫发送电荷、分解水并释放氢，它们可以提高局部 pH 值并引发化学变化，将铀离子从溶液中拉出。研究人员发现，铀会自行嫁接到泡沫表面，在那里形成一种前所未见的结晶氢氧化铀。在电荷反转时，这种类似鱼鳞的矿物质很容易从泡沫上滑落。

花了数百次尝试才能使化学成分和电解恰到好处。“我们不断改变功能性化学基团以使其正常工作，”Helal 说。“而且泡沫最初很脆弱，容易碎成碎片，所以我们需要让它更坚固、更耐用，”王说。

这种铀过滤过程简单、高效、清洁，李说：“每次使用时，我们的泡沫可以捕获四倍于自身重量的铀，我们可以实现每克 4,000 毫克的提取能力，这是一个与其他方法相比有重大改进，”他说。“我们还在可重复使用性方面取得了重大突破，因为泡沫可以经过七个循环而不会失去其提取效率。” 石墨烯泡沫在海水中也能发挥作用，它将铀浓度从百万分之 3 降低到 19.9 ppb，表明盐水中的其他离子不会干扰过滤。

该团队认为，其低成本、高效的设备可以成为一种新型的家用滤水器，可以安装在商业品牌的水龙头上。“其中一些过滤器已经有活性炭，所以也许我们可以修改它们，添加低压电力来过滤铀，”李说。

“与现有方法相比，该设备实现的铀提取非常令人印象深刻，”韩国先进科学技术学院核与量子工程副教授 Ho Jin Ryu 说。未参与该研究的 Ryu 认为，石墨烯泡沫可重复使用性的证明是一个“重大进步”，并且“局部 pH 控制以增强铀沉积的技术将具有影响力，因为科学原理可以更广泛地应用从受污染的水中提取重金属。”

研究人员已经开始研究他们方法的更广泛应用。“这是有科学依据的，所以我们可以修改我们的过滤器，使其对铅、汞和镉等其他重金属有选择性，”李说。他指出，镭是和其他地方缺乏可靠饮用水基础设施资源的另一个重大危险。

“未来，我们可以使用由清洁电力驱动的智能过滤器，而不是被动式滤水器，它会开启电解作用，提取多种有毒金属，告诉您何时再生过滤器，并为您提供质量保证你喝的水。”

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