上海交大:新型「量子點吸附」開闢水汙染治理新領域

[摘要]上海交通大學環境科學與工程學院特別研究員李良團隊自主研發出基於無毒量子點的鋁基吸附劑。目前該研究已申請五項中國專利，開闢水汙染治理新領域。

　　伴隨現代工業化進程的迅猛發展，近年來水汙染事件層出不窮，2006年湖南岳陽砷汙染、2010年福建紫金礦業汙水洩漏、2012年廣西河池市鎘汙染……水汙染事件的發生不僅讓位於爆發點沿岸及下遊居民深受其害，長期得不到有效治理對周邊環境亦是巨大影響，而其中的「罪魁」之一便是重金屬汙染。

　　水資源汙染事件的頻發引起了人們對於水汙染治理的高度關注，對重金屬汙染的有效治理也提出了更為嚴峻地考驗。這類看不見、摸不到的物質如何去除？多位業內人士表示，當務之急是控制源頭汙染。然而對於企業而言，現有工業廢水處理環節複雜且成本非常高，部分企業汙染處理積極性不高，甚至寧願以罰代處。

　　目前國內產業化的重金屬吸附材料主要為活性炭、高分子凝膠或離子交換樹脂等，前兩者利用大的表面積進行物理吸附，存在去除率低，吸附容量小等缺點；而後者處理成本較高，一般用於深度水處理。如何找到一種既快速高效、成本低廉且易操作的重金屬吸附劑，成為一道亟需解決的難題。

　　隨著一種新型「量子點吸附」的問世，這一難題有望得到解決。世界環境日來臨之際，記者從上海交通大學環境科學與工程學院特別研究員李良團隊獲悉，由該團隊自主研發的新型鋁基/鐵基量子點吸附劑在水中重金屬處理方面取得較好的進展，有效解決了吸附速率和容量的問題，成為應對水體突發重金屬汙染和工廠常規汙水排放的雙重剋星。

　　巧借「量子點」之力 開闢水汙染治理新領域

　　李良是如何發現「量子點」能夠有效與水汙染治理結合的？這還得從他的研究經歷說起。

　　歸國前，李良在美國一直從事光電材料（量子點）的合成與應用研究。在量子點的合成中，常採用快速簡便易行的陽離子交換法。如：CdS量子點通過陽離子交換可以在1秒內完成於Pb2+/Hg2+的交換轉化為PbS/HgS。這種奇特的現象源於量子點巨大的表面積和較低的反應活化能。

　　回國進入交大工作，李良結合自己原有的研究背景，根據我國水體重金屬汙染嚴重的實際現狀和問題，提出了這樣的設想：是否可以利用量子點高效的離子交換性能，製備一種基於量子點的重金屬吸附劑，這種技術可以進行重金屬汙水處理，實現重金屬的快速去除分離，有效避免重金屬汙染事故的發生？基於此，李良研究員帶領團隊進行了大量開創性的工作，將研究方向鎖定在新型量子點重金屬吸附的製備和應用上，自主研發出基於無毒量子點的鋁基吸附劑。

　　在鋁基量子點吸附劑擴大生產之前，了解吸附劑在重金屬汙染水體中如何操作是非常必要的，據此，研究人員將吸附劑用於鉛礦冶煉廠進行產品試用，發現吸附劑的吸附效果顯著，1克吸附劑可處理兩噸Pb2+ 濃度1 mg/L的汙水，遠高於市售活性炭的60-120 mg/g，且吸附速度快，5秒鐘即可去除99.9%的重金屬，5 分鐘可使重金屬濃度低於1 μg/L （1ppb），達國家飲用水標準。
然而，此時高興尤為過早，在使用過程中吸附劑出現了分離困難的問題。

　　破解分離難題 磁性「量子點吸附劑」橫空出世

　　針對鋁基吸附劑試用過程中出現的問題，李良團隊堅持不懈，通過反覆實驗研究論證，終於找到一種合適的載體，合成了高容量、高速率的磁性鐵基量子點吸附劑。「升級版」的磁性量子點吸附劑在保持原有吸附劑吸附容量的前提下，可以利用其超順磁性進行高效的分離回收，從而有效解決了水汙染處理中難於分離沉澱的問題。

　　例如，一杯鉛廢水（濃度為國家汙水排放標準的200倍），倒入一小勺鐵基量子點吸附劑，5分鐘鉛即被固定下來，採用磁鐵可在10 秒內完成分離廢水變淨水，水中重金屬含量可達到國家飲用水標準。昨日，研究人員現場向記者展示了這一神奇現象。

　　李良同時介紹到，處理汙水通常採用的活性炭或聚合氯化鋁等絮凝劑，產生大量汙泥廢料，處理汙水後會留下新的汙染。然而量子點吸附劑本身就是綠色環保材料，由於其超高的吸附容量殘渣量極小，且處理後的重金屬是以固化的方式固定下來，有效解決重金屬處理後的二次汙染問題。

　　量子點吸附劑因其超高的重金屬處理容量及速率（可在5分鐘內完成吸附）有望解決突發流動水體重金屬汙染事件所面臨的快速處理問題，在流動性水體中快速降低汙染物濃度，避免擴散。以水體汙染需100公斤量子點吸附劑清除重金屬為例，同等汙染條件下活性炭的需用量為1.6-3.3 噸。經濟成本遠低於常規吸附材料和傳統絮凝沉澱法。記者了解到，該成果除了可有效吸附水中鉛外，還可有效推廣到汞、鎘、鉻、砷（類金屬）、銅、鎳等其他重金屬汙染體系，作為廣譜重金屬吸附劑，處理工業廢水及作為應急環保材料以便快速有效應對水體突發重金屬汙染事件。

　　那麼，功能如此強大的新型吸附劑會不會價格不菲呢？帶著這個疑問，記者進一步了解到，目前，國內工廠廢水治理常採用複雜的工藝流程，需大量絮凝劑或吸附劑，在後續處理中產生汙泥殘渣，且運行成本較高。若以量子點吸附劑用於汙水重金屬的處理，一套日處理廢水量為10噸的汙水處理設備，以鉛濃度為50 mg/L為例，設備運行過程中僅需300 g（理論計算量為250 g）就可保證出水重金屬的達標排放。雖然量子點吸附劑價格較普通吸附材料稍高，但其吸附容量是普通吸附劑的數十倍，用量極少，綜合運行成本依然具有非常大的優勢。

　　李良表示，作為一名科研工作者，自己時刻關心著現今的汙染治理狀況，特別是歸國後，他特別希望儘自己的綿薄之力，讓研究成果為環境汙染治理貢獻一份力量。

　　目前該研究已申請五項中國專利，李良研究員帶領的科研團隊還與公司合作，共同進行量子點吸附劑的規模化擴大生產研究，在實驗生產的情況下，可實現單次5公斤/小時吸附劑產品的製備。預計不久的將來，有望實現規模化生產，真正成為工廠汙水重金屬的剋星。

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