全球范围内广泛存在地下水砷超标的问题,对数千万人口的安全用水构成了严重威胁。自然界中的砷主要以三价As与五价As两种形式存在,其中As的毒性更高,约为As的60倍以上,且迁移性更强、去除难度更大。一般情况下,As为地下水中砷的优势形态,常用的离子交换、沉淀、吸附等单元技术均难以将As处理到饮用水安全控制标准;美国环保署等机构优先推荐的氧化-吸附工艺虽有很好的效果,但也存在氧化剂过量、成本偏高、二次污染等问题。

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我院潘丙才教授课题组多年来一直从事基于实用型环境纳米材料的深度水处理技术研究,近日研制成功一种氧化-吸附功能耦合型纳米复合材料HFO@PS-Cl。该材料通过在聚苯乙烯载体骨架上共价键联活性氯实现对As的高效氧化;并通过在载体纳米孔道内固定氧化铁纳米颗粒,实现对氧化后As的专属吸附去除,从而实现了水中As的高效处理。HFO@PS-Cl可直接将水中As的含量从1000
ppb降至10
ppb以下,处理容量相比现有商品化除砷纳米复合材料HFO@D201提升2倍【从单批次600床体积提升到1750
BV左右】。此外,使用后HFO@PS-Cl的氧化-吸附能力可实现高效再生,循环使用7次以上处理性能仍保持稳定。该材料结构稳定,对水中共存离子、天然有机物等抗干扰能力强,具有良好的实际应用前景。这一研究对发展地下水As深度处理新技术具有重要意义。

随着化工,医药,农药等工业的迅速发展,工业废水中有害污染物的种类和数量迅猛增加。传统生物处理技术难以使含有有毒有机污染物的工业废水达到排放,对环境以及人体健康都构成了严重的威胁,因此环境修复迫在眉睫。国内外的科学家们一直在环境修复研究中不断寻求突破。以下盘点在环境修复中国内外的大牛们的研究进展。

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国内

图1.
HFO@PS-Cl结构及除As原理示意图HFO@PS-Cl与其他树脂基纳米氧化铁除As性能比较

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这一研究成果近日在线发表于环境学科国际权威期刊Environmental Science &
Technology (DOI:
10.1021/acs.est.7b00724),论文第一作者为助理研究员张孝林博士,通讯作者为潘丙才教授。研究得到了国家重点研发计划纳米科技专项、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金及国家博士后基金资助。

同济大学-张伟贤

(环境学院 科学技术处)

人物简介:污染控制与资源化研究国家重点实验室主任,同济大学环境高等研究院院长。张伟贤教授长期致力于环境纳米材料,特别是纳米零价铁材料在土壤和水体污染控制以及资源化方面的理论与应用研究,是环境纳米技术的先驱之一,纳米零价铁技术的创世研究者。1997年,在《Environmental
Science
Technology》上发表首篇纳米材料应用于环境污染控制研究论文,被公认最早将纳米技术应用于环境治理的报道;2000年,率先将纳米技术应用于氯代有机物污染的土壤及地下水修复实践,成功实现纳米技术向环境保护领域的技术转化,此后,系统探索了铁基纳米技术在含氯有机物转化方面的基础理论及实践应用。在2018年Adv.Mater.出版的同济大学校庆专刊中,张伟贤教授,凌岚教授以及黄潇月博士合作撰写了介绍了纳米零价铁从废水中分离富集稀贵金属的最近进展文章。

近期研究成果:

近期在环境领域最具影响力的期刊《Environmental Science
Technology》介绍了通过铁源的前驱体原味修饰纳米零价铁负载于有序介孔碳骨中用于电催化反硝化的性能评价。研究表明,
nZVI@OMC具有大的比表面积660-830 m2/g, 以及3- 9
nm小粒径的纳米零价铁粒子。通过对纳米粒子粒径,结晶程度以及孔结构的调控,可以很好的
调节电催化性能,最后对硝酸根去除率可达315 mgN/g, N2的选择性可达74%[1].

作为校庆专刊发表于《Advance
Materials》中介绍了核壳结构的纳米零价铁应用于水体中贵金属的富集。纳米零价铁被一层薄的铁氧化物/氢氧化物包覆构建为核壳结构,这一结构为Au,
Ag, Ni,
Cu等金属金属离子的快速分离,富集以及稳定提供了协同作用。由于其体积小,表面积大,反应活性高等有点,因此仅需要少量的催化剂就能达到良好的金属去除率,回收的纳米颗粒含有的贵金属含量远高于传统的金属矿石[2].

而近期,张伟贤课题组又在《Applied Materials
Interfaces》报道了双金属PdCu纳米粒子负载于N掺杂有序介孔碳骨架用于电催化反硝化性能的评价。直接利用双氰胺作为氮源与金属离子螯合,并借助表面活性剂为模板自组装的方法制备得到PdCu
NCs NOMC.功能催化剂PdCu NCs
NOMC因系统催化协同作用而具有优异从电催化性能,硝酸盐的浓度为100
ppm中的硝酸盐去除率高达90%,氮气的选择性可达60%,并且具有良好的循环稳定性能[3].

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南京大学-潘丙才

人物简介:南京大学学术新秀。南京大学环境学院教授、博士生导师,教育部长江学者,特聘教授
,南京大学环境工程系主任、污染控制与资源化研究国家重点实验室副主任,“有毒污染物治理与资源化”教育部创新团队共同带头人。团队长期从事水处理纳米技术及原理方向的研究。近年来,课题组发明了系列以交联聚苯乙烯网孔限域为核心的毫米尺寸复合纳米材料,并成功用于水中重金属、砷、磷、氟、硒等特征污染物的深度处理。

近期研究成果:

最新的研究除磷的工作被《Environmental Science
Technology》报道。聚苯乙烯基纳米氧化铁复合材料是一种具有代表性的纳米材料,成功地应用于砷、磷的大规模水净化。然而,对于溶液化学对纳米复合材料长期性能的影响,目前还知之甚少。在本研究中,我们在聚合物支持的含铁纳米复合材料HFO@201上进行了20次磷酸盐吸附-解吸循环。出乎意料的是,在有钙离子存在的情况下,磷酸盐的去除率提高了,这与它对颗粒状氧化铁捕获磷酸盐的不利影响截然不同。进一步的机理研究表明,主要是通过HFO@201网络孔隙内的Ca-P共沉淀法以实现增强除磷,并可能形成多种Fe
-P –
Ca-P络合物。复合物的形成显著增加了P的吸附量,在磷酸盐吸附和碱性再生过程中,封闭孔隙中积累的OH-促使共沉淀法有利于通过内部非晶态磷酸钙和羟基磷灰石的形成来去除P.TEM-EDS能谱分析表明,负载纳米HFO表面不发生共沉淀物,极大地减轻了共沉淀物对纳米HFO表面P吸附的不利影响。固定床柱研究表明,Ca2+的存在使HFO@201对含磷污水的有效处理体积提高了约70%.该研究为进一步研究溶液化学对类似纳米复合材料的水处理效果提供了新的思路[4].