使用石墨烯泡沫过滤饮用水中的有毒物质（铀）
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。正从采矿作业站、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。
仅在美国，“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。泡沫可以重复使用多达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。
本周《Advanced Materials》 发表了一篇描述这项工作的论文。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、台湾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（美国国防部）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。美国地质服务局和环境保护署 (EPA) 的现场测试表明，从美国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——这一水平会造成肾脏损伤、癌症风险和人类的神经行为变化。
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可以很好地与铀配合使用。”
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，容易碎裂，所以我们需要让它更坚固耐用，”王说。
这种铀过滤过程简单、高效且清洁据李说：“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“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，镭是美国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，该过滤器开启电解作用，可以提取多种有毒金属，告诉您何时再生过滤器，并为您提供质量保证你喝的水。”
摘自《The Graphene Council》网站