突破！MIT研究人员造出石墨烯“神奇泡沫”，可高效吸附水中放射性元素

在各种类型的水污染中，一些污染物并不那么明显，这使得它们的影响潜在地更加危险——这些看不见的物质中有铀。

这种元素从采矿作业、核废料场或天然地下沉积物中渗入到水资源中，现在在世界各地都可以发现这种元素从水龙头中流出。这种污染造成了迫在眉睫的危险，即使是很小的浓度也对人体健康有害。

现在，一个由MIT研究人员领导的小组发明了一种从饮用水中去除铀的高效方法。通过在氧化石墨烯泡沫上加一个电荷，研究人员就可以在溶液中捕获铀，铀沉淀成凝结的固体晶体。这种泡沫可以重复使用七次，而不会失去其电化学性能。“在数小时内，我们的工艺就可以将大量饮用水的铀含量净化到美国环境署(EPA)的限制以下。”

一篇描述这项工作成果的论文近日发表在《高级材料》（Advanced Materials）杂志上。

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区的重金属。迄今为止，铬、镉、砷、铅、汞、镭和铀等金属的修复方法已被证明是有限和昂贵的。“这些技术对水中的有机物高度敏感，在分离重金属污染物方面很差，”研究人员Helal解释说。“因此，它们的运行时间长，资本成本高，而且在提取结束时，会产生更多的有毒污泥。”

对研究小组来说，铀似乎是一个特别有吸引力的目标。美国地质调查局和环境保护局(EPA)的现场测试显示，从美国东北部的天然岩石来源，从华盛顿汉福德等地储存旧核武器和燃料的池塘和坑中，铀进入水库和含水层的水平不健康，以及西部许多州的采矿活动。

这种污染在许多其他国家也很普遍。令人震惊的是，这些地方的铀浓度接近或超过美国环保署建议的十亿分之三十(ppb)上限——这一水平与肾脏损伤、癌症风险和人类神经行为变化有关。

关键的挑战在于找到一种对铀完全敏感、能够从溶液中提取铀而不产生有毒残留物的实用补救方法。虽然早期的研究表明，带电的碳纤维可以从水中过滤铀，但结果是片面的和不精确的。

基于对锂硫电池用石墨烯泡沫材料性能的研究，研究人员成功地解决了这些问题。Chao Wang表示:“这种泡沫的物理性能是独一无二的，因为它能够吸引某些化学物质到它的表面。”“我认为石墨烯泡沫中的配体可以很好地与铀结合。”

该团队开始将石墨烯泡沫转化为相当于铀磁铁的物质。他们了解到，通过在泡沫中发送电荷，使水分裂并释放氢，他们可以提高当地的pH值，并诱导化学变化，将铀离子从溶液中拉出来。研究人员发现，铀会自己嫁接到泡沫的表面，在那里它形成了一种从未见过的结晶氢氧化铀。当电荷发生逆转时，这种类似鱼鳞的矿物很容易从泡沫中滑落。

为了使化学成分和电解恰到好处，他们进行了数百次尝试。Helal说:“我们不断地改变功能化学基团以使它们正常工作。”Wang说:“泡沫起初很脆弱，容易碎成碎片，所以我们需要让它更坚固、更耐用。”

而他们的铀过滤过程，更简单、高效、清洁。用石墨烯制造的泡沫，可以捕获自身重量的四倍的铀，并达到每克4,000毫克的提取能力，这是比其他方法的一个重大改进。

“我们在可重复利用性方面也取得了重大突破，因为泡沫可以经历七个循环而不损失提取效率。”石墨烯泡沫在海水中也能发挥作用，它能将铀浓度从百万分之3降低到19.9 ppb，这表明盐水中的其他离子不会干扰过滤。

该团队认为，这种低成本、高效的设备可以成为一种新型的家庭水过滤器，可以安装在商业品牌的水龙头上。“其中一些过滤器已经使用了活性炭，所以也许我们可以对其进行改造，添加低压电力来过滤铀。”

韩国科学技术高级研究院(Korea Advanced Institute of Science and Technology)核与量子工程副教授Ho Jin Ryu表示:“与现有方法相比，这台设备实现的铀提取非常令人印象深刻。”研究人员已经开始研究这种方法的更广泛应用。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考来源：https://news.mit.edu/2021/graphene-foam-filter-toxins-from-water-0804