環境材料研究室

環境材料研究室简介

 

一、研究目標

研究室瞄准國家環境汙染治理以及綠色工業、農業生産中先進材料與技術等重大問題,以中科院離子束生物工程學重點實驗室爲依托,以離子束裝置平台爲支撐,立足于離子束與納米材料、生物材料以及環境材料相互作用的基礎研究,借助離子束、等離子體、同步輻射等核技術以及分析化學方法,以産業化爲目的,開發具有環境修複、生物相容性、催化活性等功能的新型材料。

二、研究內容

1、材料改性關鍵技術研發及其應用基礎研究

   將核技術(離子束、同步輻射、等離子體等技術)與其它常規物理、化學技術相結合,針對不同材料(納米材料、生物材料等)進行改性,應用于分析化學技術、醫用材料以及相關工業、農業領域。

2、環境汙染治理及應用基礎研究

   針對當前存在的重大水環境問題如富營養化、水體有機有毒物汙染等,開發汙染源控制技術以及內源削減技術,研究汙染物遷移規律及其與材料的相互作用機理。

三、項目支持

1、國家自然科學基金“離子束促進無機納米材料(凹凸棒土)網絡結構形成的機理及

   应用基础研究(2010~2012)。

2、國家自然科學基金“離子束改性粉煤灰的微觀結構及吸附性能的機理研究”

  (2010~2012)。

3、中科院方向性項目“化肥控失技術機理研究及其試驗示範”(2009~2010)。

4、中科院方向性項目“滴灌枸杞栽培專用肥料技術”(2009-2012)。

四、成果和進展

1.離子束改性天然無機納米材料-凹凸棒土

自然狀態下凹凸棒土的棒晶並沒有單個獨立存在,而是相互隨機吸附形成許多聚集體,一捆一捆地呈束狀分布。因爲棒晶的大量聚集,使凹凸棒土的比表面積大大低于其理論極限值。針對這一問題,我們利用離子束輻照凹凸棒土,使得凹凸棒土納米棒晶的分散性顯著提高,原來呈束狀分布的棒晶聚集體被分散成單個的棒晶,棒晶在微觀結構上構築出清晰的納米空間網絡,大大地增加了凹凸棒土的比表面積同時也在實驗中找到了構築納米網絡結構所需的離子束參數的最佳範圍(此工作發表在Nanotechnology2009)

                            

左圖:未經離子束輻照的凹凸棒土的電鏡照片。右圖:離子束輻照後凹凸棒土的電鏡照片。

2離子束改性形成的凹凸棒土納米網對印染廢水中的主要汙染物-亞甲基藍的吸附性能

實驗中研究了離子束改性後的凹凸棒土(ATP-N)與天然凹凸棒土(ATP-R)對不同濃度的亞甲基藍的吸附性能及其差異,發現天然凹凸棒土的吸附平衡時間在10min而經過離子束改性的凹凸棒土吸附平衡值提前至2min;隨著離子束輻照劑量的增加,改性凹凸棒土亞甲基藍的吸附量也隨之增加。結果顯示改性後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觀納米網絡結構,決定了該材料擁有較高的分散性和比表面積,而未經改性的凹凸棒土的微觀結構主要是一束束的棒晶聚集體。該結果可以爲研究汙染物去除的工作者提供一種新的思路借鑒(此工作發表在Nano Communication Networks2010 )

        

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

3.鹽酸改性凹凸棒土除藻研究及安全性評價

以凹凸棒土爲原料,通過鹽酸改性處理後作爲新型絮凝劑用于去除引起有害藻類水華的主要藻類-铜绿微囊藻,并對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之内對铜绿微囊藻的去除率可达90%40min左右絮凝達到平衡,銅綠微囊藻去除率高達95%。同時采用秀丽隐杆线虫作为受试生物,對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,改性的凹凸棒土對线虫的存活率影响不显著,48 h處理後線蟲的存活率仍然高達93%以上,這也證明了改性凹凸棒土除藻後的藻液不具有明顯的生物毒性(此工作發表在Water Research2011)

                  

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

4.以改性凹凸棒土爲基底的第三代傳感器開發

通過高速搅拌對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),構築第三代H2O2傳感器,實現了HRP的直接电化学,對H2O2體現了良好的檢測性能和靈敏度,線性檢測範圍是5 ?M 到 0.3 mM,檢測限達到5 ?M。該傳感器也展現了良好的重現性和穩定性。以上性能主要是由于凹凸棒土能夠爲HRP分子提供生物相容性良好的微环境,同時扩大了HRP分子與電極表面的接觸面積,幫助實現HRP和電極之間的直接電子轉移,無需加入媒介體,簡化了傳感器的結構,完全符合第三代傳感器的標准(此工作發表在Analytical Sciences2011)

                                   

               HRP的直接電化學行爲(a)和對H2O2的響應(b)

5.內置網型控緩釋肥微觀機理研究

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,對比发现其差别在于,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。这说明尿素的存在對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,并對其中镁、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,尿素均匀镶菍谕络孔隙中。

6. 巢湖氮磷藻磁移除技術平台建設

在不断分析和改进实验的同時,先后在巢湖岸边完成了沟槽小试(2007年)、1/8段工程模擬試驗(2008年)以及巢湖水域內的船體試驗(2009年,見附圖1)。其中船體試驗表明:葉綠素a去除率達到98.97%、總磷降祱Ds91.92%COD降祱Ds81.68%、浊度降祱Ds99.6%(見附表1),去除效果顯著,處理後水中的磷含量已降至II類水標准(GB3838-2002),可有效缓解缹﹀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對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簣D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專利(有9項已授權),並轉讓安徽帝元生物科技有限公司。

           

                      藻水分离磁捕平台

  

                船体结构                    磁分離裝備

  

             進水(船頭)                  出水(船尾)

船體試驗——2009年 巢湖                    

1  水質檢測結果 ——合肥市環境檢測中心檢測   單位:mg/L7硫酸催化劑改良技術研究

測點

COD

TN

氨氮

TP

葉綠素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圖。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,吳正岩,吳林,吳躍進,朱劍豪,余增亮。低能量離子束轟擊

  對碳纳米管中杂质的去除應用化學,201027987989

8.蔡冬清,馬彬, 吳躍進,余增亮,吳正岩等离子体技术對硫酸催化剂

  载体矽藻土的改性初步研究硫酸工業,2011,已接受。

六、專利

2009年至20116月,本研究室申请国家发明專利8项,其中已经获得授权的專利为1項:

1、电厂秸秆灰對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、利用離子束構築凹凸棒土納米網絡的方法

   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、改性凹凸棒土作爲絮凝劑治理藻華的方法

   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、凹凸棒土對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對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、一種改良硫酸催化劑載體矽藻土的方法

   公开号:201010242921.0

   发明人:蔡冬清,吴正岩,余增亮,吴跃进.

7、一種提高凹凸棒土納米材料分散性的方法

   申请号:201010132809.1

   发明人:張宏、唐義、蔡冬清、劉夏楠、吳林、吳正岩、王相勤、

   余增亮、吴跃进