环境材料研究室

环境材料研究室简介

 

一、研究目标

研究室瞄准国家环境污染治理以及绿色工业、农业生产中先进材料与技术等重大问题,以中科院离子束生物工程学重点实验室为依托,以离子束装置平台为支撑,立足于离子束与纳米材料、生物材料以及环境材料相互作用的基础研究,借助离子束、等离子体、同步辐射等核技术以及分析化学方法,以产业化为目的,开发具有环境修复、生物相容性、催化活性等功能的新型材料。

二、研究内容

1、材料改性关键技术研发及其应用基础研究

   将核技术(离子束、同步辐射、等离子体等技术)与其它常规物理、化学技术相结合,针对不同材料(纳米材料、生物材料等)进行改性,应用于分析化学技术、医用材料以及相关工业、农业领域。

2、环境污染治理及应用基础研究

   针对当前存在的重大水环境问题如富营养化、水体有机有毒物污染等,开发污染源控制技术以及内源削减技术,研究污染物迁移规律及其与材料的相互作用机理。

三、项目支持

1、国家自然科学基金“离子束促进无机纳米材料(凹凸棒土)网络结构形成的机理及

   应用基础研究(2010~2012)。

2、国家自然科学基金“离子束改性粉煤灰的微观结构及吸附性能的机理研究”

  (2010~2012)。

3、中科院方向性项目“化肥控失技术机理研究及其试验示范”(2009~2010)。

4、中科院方向性项目“滴灌枸杞栽培专用肥料技术”(2009-2012)。

四、成果和进展

1.离子束改性天然无机纳米材料-凹凸棒土

自然状态下凹凸棒土的棒晶并没有单个独立存在,而是相互随机吸附形成许多聚集体,一捆一捆地呈束状分布。因为棒晶的大量聚集,使凹凸棒土的比表面积大大低于其理论极限值。针对这一问题,我们利用离子束辐照凹凸棒土,使得凹凸棒土纳米棒晶的分散性显著提高,原来呈束状分布的棒晶聚集体被分散成单个的棒晶,棒晶在微观结构上构筑出清晰的纳米空间网络,大大地增加了凹凸棒土的比表面积同时也在实验中找到了构筑纳米网络结构所需的离子束参数的最佳范围(此工作发表在Nanotechnology2009)

                            

左图:未经离子束辐照的凹凸棒土的电镜照片。右图:离子束辐照后凹凸棒土的电镜照片。

2离子束改性形成的凹凸棒土纳米网对印染废水中的主要污染物-亚甲基蓝的吸附性能

实验中研究了离子束改性后的凹凸棒土(ATP-N)与天然凹凸棒土(ATP-R)对不同浓度的亚甲基蓝的吸附性能及其差异,发现天然凹凸棒土的吸附平衡时间在10min而经过离子束改性的凹凸棒土吸附平衡值提前至2min;随着离子束辐照剂量的增加,改性凹凸棒土亚甲基蓝的吸附量也随之增加。结果显示改性后凹凸棒土具有更好的吸附性能以及更大的吸附量,其原因主要是它具有微观纳米网络结构,决定了该材料拥有较高的分散性和比表面积,而未经改性的凹凸棒土的微观结构主要是一束束的棒晶聚集体。该结果可以为研究污染物去除的工作者提供一种新的思路借鉴(此工作发表在Nano Communication Networks2010 )

        

 改性凹凸棒土(ATP-N)与天然凹凸棒土(ATP-R)对不同浓度亚甲基蓝的吸附性能的比较

3.盐酸改性凹凸棒土除藻研究及安全性评价

以凹凸棒土为原料,通过盐酸改性处理后作为新型絮凝剂用于去除引起有害藻类水华的主要藻类-铜绿微囊藻,并对该絮凝剂的絮凝效果及安全性进行评价。研究发现盐酸改性后的凹凸棒土在10min之内对铜绿微囊藻的去除率可达90%40min左右絮凝达到平衡,铜绿微囊藻去除率高达95%。同时采用秀丽隐杆线虫作为受试生物,对改性凹凸棒土处理后的铜绿微囊藻液进行了毒理性评价,结果显示,改性的凹凸棒土对线虫的存活率影响不显著,48 h处理后线虫的存活率仍然高达93%以上,这也证明了改性凹凸棒土除藻后的藻液不具有明显的生物毒性(此工作发表在Water Research2011)

                  

盐酸改性凹凸棒土(5-AT)与天然凹凸棒土(N-AT)对铜绿微囊藻的去除效果比较

4.以改性凹凸棒土为基底的第三代传感器开发

通过高速搅拌对天然凹凸棒土进行处理,改善了凹凸棒土的分散性,并以此为基底固定辣根过氧化物酶(HRP),构筑第三代H2O2传感器,实现了HRP的直接电化学,对H2O2体现了良好的检测性能和灵敏度,线性检测范围是5 µM 到 0.3 mM,检测限达到5 µM。该传感器也展现了良好的重现性和稳定性。以上性能主要是由于凹凸棒土能够为HRP分子提供生物相容性良好的微环境,同时扩大了HRP分子与电极表面的接触面积,帮助实现HRP和电极之间的直接电子转移,无需加入媒介体,简化了传感器的结构,完全符合第三代传感器的标准(此工作发表在Analytical Sciences2011)

                                   

               HRP的直接电化学行为(a)和对H2O2的响应(b)

5.内置网型控缓释肥微观机理研究

利用硬X射线相衬成像技术得到内置网型控缓释尿素内部凹凸棒土在水溶液中的三维网络结构,以及单独凹凸棒土在水溶液中的三维结构,对比发现其差别在于,前者凹土分散性良好且呈现较均匀的三维网络结构,而后者凹土多扎堆存在且网络结构不明显。这说明尿素的存在对凹土的分散性起到关键作用,而凹土的分散性直接决定了网络结构的质量,进而决定了控失效果。利用软X射线扫描透射技术得到内置网型控缓释尿素二维微观结构,并对其中镁、氮两种元素进行了扫描,得到二者的空间分布,从而获得凹土与尿素的空间位点。结果显示,凹土呈错综复杂的微纳网络结构,尿素均匀镶嵌在网络孔隙中。

6. 巢湖氮磷藻磁移除技术平台建设

在不断分析和改进实验的同时,先后在巢湖岸边完成了沟槽小试(2007年)、1/8段工程模拟试验(2008年)以及巢湖水域内的船体试验(2009年,见附图1)。其中船体试验表明:叶绿素a去除率达到98.97%、总磷降低约91.92%COD降低约81.68%、浊度降低约99.6%(见附表1),去除效果显著,处理后水中的磷含量已降至II类水标准(GB3838-2002),可有效缓解蓝藻爆发带来的压力,从而为藻华的治理提供了一种具有现实意义的方法。2010918日,由省科技厅组织,叶朝晖院士主持、国内著名湖泊生态专家组成的鉴定委员会对课题组与雷克公司共同承担的藻水分离磁捕平台及运行项目进行了验收和鉴定。鉴定意见认为:“藻水在线分离磁捕技术”具有首创性、先进性和实用性,是湖泊富营养化防治的先锋措施。装置性能稳定,运行可靠,可广泛应用于应用水源地污染应急处置、入湖河流截污除磷、污水厂除磷提级改造工程等。目前,该成果已申请十余项国家发明专利(有9项已授权),并转让安徽帝元生物科技有限公司。

           

                      藻水分离磁捕平台

  

                船体结构                    磁分离装备

  

             进水(船头)                  出水(船尾)

船体试验——2009年 巢湖                    

1  水质检测结果 ——合肥市环境检测中心检测   单位:mg/L7硫酸催化剂改良技术研究

测点

COD

TN

氨氮

TP

叶绿素a

原水

10.48

2.49

0.2

0.161

0.293

船尾水

1.92

2.16

0.2

0.013

0.003

去除率(%)

81.679

13.253

91.92

98.976

 7.在硫酸催化剂改良技术及装置研发方面,完成小试并由合作企业完成检测报告,结果表明,改良效果显著。在此基础上,初步制定出中试研发方案及技术流程并设计出装置机械图。该技术被工信部列入“十二五”有关“清洁生产技术”规划,负责其中的“硫酸催化剂质量改进技术”。

五、代表性文章

1.Dongqing Cai, Zhengyan Wu, Jiang Jiang, Kejian Ding , Liping Tong, 

  Paul K Chu and Zengliang Yu. A unique technology to transform inorganic 

  nanorods into nano-networks, Nanotechnology, 2009, 20, 255302. 

2.Yi Tang, Hong Zhang,, XiananLiu, Dongqing Cai, Huiyun Feng, 

  Chunguang Miao, Xiangqin Wang, Zhengyan Wu, ZengliangYu, Flocculation 

  of harmful algal blooms by modified attapulgite and its safety evaluation. 

  Water Research, 201145, 2855-2862. 

3.Dongqing Cai, Hong Zhang,Yi Tang, Paul K. Chu, Zhengyan Wu, Zengliang Yu. 

  Nano-networks  have  better  adsorption  capability  than nanorods. 

  Nano communication networks, 2010, 1, 257-263.

4.Huihui Chen, Zhe Zhang, Dongqing Cai, Shengyi Zhang, Bailin Zhang

  Jilin Tang, Zhengyan Wu, Direct Electrochemistry and Electrocatalytic 

  Behavior of Horseradish Peroxidase on Attapulgite Clay Modified Electrode

  Analytical Sciences, 2011, 27, 613-616.

5.Zhang, H., Tang, Y., Cai, D. Q., Liu, X. N., Wang, X. Q., Huang, Q., 

  Yu, Z. L., Hexavalent chromium removal from aqueous solution by algal 

  bloom residue derived activated carbon: Equilibrium and kinetic 

  studiesJournal of Hazardous Materials, 2010181, 801-808

6.Zhang, H., Tang, Y., Liu, X. N., Ke, Z. G., Su, X., Cai, D. Q.,

  Wang, X. Q., Liu, Y. D., Huang, Q., Yu, Z. L., 2011. Improved 

  adsorptive capacity of pine wood decayed by fungi Poria cocos 

  for removal of malachite green from aqueous solutions

  Desalination, 2011, doi: 10. 1016/j. desal. 2011.01.077. 

7.蔡冬清,吴正岩,吴林,吴跃进,朱剑豪,余增亮。低能量离子束轰击

  对碳纳米管中杂质的去除应用化学,201027987989

8.蔡冬清,马彬, 吴跃进,余增亮,吴正岩等离子体技术对硫酸催化剂

  载体硅藻土的改性初步研究硫酸工业,2011,已接受。

六、专利

2009年至20116月,本研究室申请国家发明专利8项,其中已经获得授权的专利为1项:

1、电厂秸秆灰对印染废水的吸附脱色方法

   申请号:200910251732

   发明人:吴正岩、蔡冬清、邱冠男、倪晓宇、吴林、余增亮、吴跃进.

2、利用离子束构筑凹凸棒土纳米网络的方法

   授权号:ZL200910116454.4

   发明人:蔡冬清、吴正岩、余增亮、吴跃进、张束清、袁航、王相勤.

3、改性凹凸棒土作为絮凝剂治理藻华的方法

   申请号:200910251729

   发明人:唐义、叶瑞、蔡冬清、张宏、王相勤、余增亮、吴跃进.

4、凹凸棒土对印染废水的吸附脱色方法

   公开号:200910251726

   发明人:蔡冬清、吴正岩、余增亮、吴跃进.

5、有机高分子复配改性凹凸棒土对藻胆蛋白和微囊藻毒素吸附去除的方法

   公开号:200910251730

   发明人:蔡冬清、吴正岩、张宏、唐义、王相勤、余增亮、吴跃进.

6、一种改良硫酸催化剂载体硅藻土的方法

   公开号:201010242921.0

   发明人:蔡冬清,吴正岩,余增亮,吴跃进.

7、一种提高凹凸棒土纳米材料分散性的方法

   申请号:201010132809.1

   发明人:张宏、唐义、蔡冬清、刘夏楠、吴林、吴正岩、王相勤、

   余增亮、吴跃进