某些類型的水污染，例如藻類大量繁殖和污染河流、湖泊和海洋環境的塑料顯而易見。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。在這些看不見的物質中，有鈾。正從采礦作業站、核廢料場或天然地下沉積物滲入水資源，現在可以發現這種元素從世界各地的水龍頭中流出。
僅在美國，“許多地區都受到鈾污染的影響，包括為600萬人提供飲用水的高原和中央山谷含水層，”核科學與工程系博士后 Ahmed Sami Helal 說。這種污染構成了近在眼前的危險。“即使是很小的濃度也不利于人類健康，”巴特爾能源聯盟核科學與工程教授兼材料科學與工程教授 Ju Li 說。
現在，由李領導的團隊設計了一種高效去除飲用水中鈾的方法。對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。泡沫可以重復使用多達七次而不會失去其電化學性能。“在數小時內，我們的工藝可以凈化大量低于EPA鈾限值的飲用水，”李說。
本周《Advanced Materials》 發表了一篇描述這項工作的論文。兩位第一共同作者是 Helal 和 Chao Wang，他們在研究期間是麻省理工學院的博士后，現就職于上海同濟大學材料科學與工程學院。來自阿貢國家實驗室、臺灣國立交通大學和東京大學的研究人員也參與了這項研究。國防威脅減少局（美國國防部）資助了這項工作的后期階段。
針對污染物
該項目于三年前啟動，最初是為了尋找更好的方法來清理礦場中的重金屬。迄今為止，對鉻、鎘、砷、鉛、汞、鐳和鈾等金屬的修復方法已被證明是有限且昂貴的。“這些技術對水中的有機物高度敏感，無法分離重金屬污染物，” Helal 解釋說。“因此，它們的運行時間長，資本成本高，并且在提取結束時會產生更多的有毒污泥。”
對團隊來說，鈾似乎是一個特別有吸引力的目標。美國地質服務局和環境保護署 (EPA) 的現場測試表明，從美國東北部的天然巖石來源、從漢福德等地儲存舊核武器和燃料的池塘和坑中，不健康水平的鈾進入水庫和含水層。華盛頓，以及位于許多西部州的采礦活動。這種污染在許多其他國家也很普遍。數量驚人的這些站點顯示鈾濃度接近或高于 EPA 建議的十億分之 30 (ppb) 的上限——這一水平會造成腎臟損傷、癌癥風險和人類的神經行為變化。
關鍵的挑戰在于找到一種專門對鈾敏感的實用修復方法，能夠從溶液中提取它而不會產生有毒殘留物。雖然早期的研究表明，帶電碳纖維可以從水中過濾鈾，但結果是不完整和不精確的。
王女士根據她對用于鋰硫電池的石墨烯泡沫行為的研究，設法解決了這些問題。“這種泡沫的物理性能是獨一無二的，因為它能夠將某些化學物質吸引到其表面，”她說。“我認為石墨烯泡沫中的配體可以很好地與鈾配合使用。”
簡單、高效、干凈
該團隊開始著手將石墨烯泡沫轉化為鈾磁鐵的等效物。他們了解到，通過向泡沫發送電荷、分解水并釋放氫，它們可以提高局部 pH 值并引發化學變化，將鈾離子從溶液中拉出。研究人員發現，鈾會自行嫁接到泡沫表面，在那里形成一種前所未見的結晶氫氧化鈾。在電荷反轉時，這種類似魚鱗的礦物質很容易從泡沫上滑落。
花了數百次嘗試才能使化學成分和電解恰到好處。“我們不斷改變功能性化學基團以使其正常工作，”Helal說。“而且泡沫最初很脆弱，容易碎裂，所以我們需要讓它更堅固耐用，”王說。
這種鈾過濾過程簡單、高效且清潔據李說：“每次使用時，我們的泡沫可以捕獲四倍于自身重量的鈾，我們可以實現每克 4,000 毫克的提取能力，這是一個與其他方法相比有重大改進，”他說。“我們還在可重復使用性方面取得了重大突破，因為泡沫可以經過七個循環而不會失去其提取效率。”石墨烯泡沫在海水中也能發揮作用，它將鈾濃度從百萬分之3降低到19.9 ppb，表明鹽水中的其他離子不會干擾過濾。
該團隊認為，其低成本、高效的設備可以成為一種新型的家用濾水器，可以安裝在商業品牌的水龍頭上。“其中一些過濾器已經有活性炭，所以也許我們可以修改它們，添加低壓電力來過濾鈾，”李說。
“與現有方法相比，該設備實現的鈾提取非常令人印象深刻，”韓國先進科學技術學院核與量子工程副教授 Ho Jin Ryu 說。未參與該研究的 Ryu 認為，石墨烯泡沫可重復使用性的證明是“重大進步”，并且“局部 pH 控制以增強鈾沉積的技術將具有影響力，因為科學原理可以更廣泛地應用從受污染的水中提取重金屬。”
研究人員已經開始研究他們方法的更廣泛應用。“這是有科學依據的，所以我們可以修改我們的過濾器，使其對鉛、汞和鎘等其他重金屬有選擇性，”李說。他指出，鐳是美國和其他地方缺乏可靠飲用水基礎設施資源的另一個重大危險。
“未來，我們可以使用由清潔電力驅動的智能過濾器，而不是被動式濾水器，該過濾器開啟電解作用，可以提取多種有毒金屬，告訴您何時再生過濾器，并為您提供質量保證你喝的水。”
摘自《The Graphene Council》網站
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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