【编者按】科技是国家强盛之基，创新是民族进步之魂。进入21世纪以来，全球科技创新进入空前密集活跃的时期，新一轮科技革命和产业变革正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构。南科大校长陈十一认为，为促进大众科技认识的提升和科学精神的培养贡献高校力量，南科大在这一方面必须有所作为，有所担当。如今，在“双区驱动”带来的打造世界级高校集群、推动湾区科技创新腾飞的时代背景下，南科大愿以探路者的姿态，举起创新科普文化、推动科技传播的大旗，依托学校的一流师资、学科布局、学术成果、深度融合的产学研体系等优势资源，着力打造高科技知识科普平台，普及科学知识、传播科学思想、弘扬科学精神。即日起，由南科大教授会牵头，集学校有志于科普事业和文化传播的师生之力，依托南科大官网、官微和学生组织自媒体平台，我们推出“十万个高科技为什么”系列科普报道。

当你拿起擦得锃亮的金属汤勺准备享用美食的时候，当你在小摊前挑选琳琅满目的电镀饰品的时候，当你摆弄你的合金玩具小汽车的时候，甚至是当你沉浸在平板电脑播放的动画节目的时候，你有没有注意到你手中这些物品之间的有没有什么共同特征呢？

图1. （a）经常使用的汤勺；（b）合金小汽车玩具；（c）电镀小饰品；（d）平板电脑

通过仔细观察（如图1），你会发现，虽然这些物品形状各异、功能很不相同，但是它们都有着光鲜闪亮的表面，这些都是通过电镀工艺达到的效果，也就是在物品的表面镀上一层金属。

其实，电镀工艺表面光鲜亮丽，但背后也有代价和存在着的隐患，主要表现在电镀过程中产生的废水，即电镀废水，它是重金属污染的重要来源之一[1]，它里面包藏着的“重”金属，如铁、铜、金、镍、镉等，大都是主要的环境污染物。这些重金属随废水进入到环境里面四处游荡，进而被动植物吸收，而人类摄食这些吸收了重金属的动植物后，容易引发身体机能病变。比如，镉会让我们的骨头变得很脆，铅会让我们头痛眩晕、烦躁不安，严重时还可能让人得癌症，甚至造成死亡。[2] 多地曾爆发的儿童血铅超标现象、云南曲靖铬污染事件，以及湖南镉大米事件等就是因重金属污染而导致的一系列“事故”。

给重金属“盖个小房子”

怎样才能让重金属收敛“恶行”，并改善他们的“德行”呢？实际上，重金属危害与否与它们的存在形态有关。在某些形态下，它们可以自由地跑到环境当中，这时它们是让人警惕的“危险分子”。但在另外一些形态下，重金属就比较“安静”，喜欢在房子里待着，不爱到处窜门儿，这时，他们是和善的“守房奴”。

为了减少重金属的危害，我们可以设计一所让它们舍不得离开的“房子”，而这所房子就是晶体。

晶体由原子组成，如果这些原子规则整齐地排列在一起，就好像我们盖的房子一样。图2（a）中像宝石一样美丽的晶体叫尖晶石（spinel）[3]，如果晶体里面含有的元素不同，尖晶石也会展现出不同的颜色。而且，你看，我们画出来的晶体结构是不是很像原子按规则排列建造起来的“小房子”？这些“小房子”非常坚固，即便受到来自外界环境的攻击，它的结构也不容易被毁坏，这样，重金属原子就会安安稳稳地待在这些“小房子”里面，不再到处乱跑，当然也就不会对我们的身体造成危害了。

图2. （a）尖晶石的外观照片；（b）尖晶石的晶体结构

另外，尖晶石不仅有固定重金属的效果，还有各种大用处，比如说它的颜色非常美丽，可以用作宝石，含铁的尖晶石还可以用作磁性材料，还有些尖晶石具备催化性能。[6]

怎样给“重金属”盖房子

那怎样才能给重金属盖起这样的“房子”呢？

有一种办法就是“烧”。做陶瓷时，我们先用软软的粘土做成喜欢的形状，等粘土晾干之后再放到窑炉里面去烧，烧出来的陶瓷会变得很坚硬，而且上了釉的表面会很光滑。

我们给重金属“造房子”也可以采用这种方法。粘土最主要的成分是高岭土，它的化学式可以写成Al2Si2O5(OH)4[4]，它里面含量最高的是Al和Si的氧化物，我们可以把重金属的化合物和这些粘土混在一起，像做陶艺一样。在高温下烧结，重金属就会与粘土里面的Al、Si、O元素一起搭建起规则的“小房子”。当然，“房子”的“户型”会因为重金属与粘土的反应条件不同而不同。它们尽管结构不一，但都非常坚固。重金属会“住”在这些稳定的结构里（图3）[5]，比如，重金属Zn就会和Al以及O这两个元素架起一栋“小房子”，这个“小房子”的化学式是ZnAl2O4。Zn就待在这个架起的“小房子”里面，任凭外界环境怎么变化，它再也不愿意跑出去了。

图3. 用含Al的粘土将重金属Zn稳定在尖晶石结构中的过程[6]

这个“盖房子”技术非常实用，可以拓展到含有重金属的固体废弃物上面。目前我国约有15000家电镀生产企业，每年产生约1000万吨电镀污泥[1,7]。对待这些含重金属的固体废弃物（电镀污泥）时，建造一个能够稳定它们的“房子”至关重要。

检测“盖房子”技术

为了证实这种思路的可行性，我们从工厂采集电镀铜泥，在将其与粘土材料混合烧结之后发现，重金属真的不那么容易跑出来了，铜离子溶出量（图4的最右侧）甚至出现了几百倍的降低。从图中的产品照片可以看出，不同温度下烧结出来的产品的颜色和内部结构也大不相同。这些不同颜色、不同结构的产品可以用作无机颜料，也可以用作工业上的耐火材料，还可以设计成过滤工业废水的陶瓷膜等等。

图4. 用含Al的粘土将电镀铜泥中的铜稳定化并做成不同性能的产品 [8]

通过这种方式，我们不仅可以控制重金属对环境和人类的污染和伤害，还可以把这些固体废弃物解决掉，用之做成的产品还能再进一步资源化利用起来，真是“一举三得”。

参考文献

[1]  张海亮, 梁冬云, 刘勇. 电镀污泥处理现状及进展. 再生资源与循环经济, 2017, 10: 25-30.

[2] 何强, 井文涌, 王翊亭. 环境学导论. 清华大学出版社, 2004.

[3] 刘建华. 镁铝尖晶石的合成、烧结和应用. 冶金工业出版社, 2019.

[4] Tang, Y.; Shih, K. Applying Kaolinite-Mullite Reaction Series to Immobilize Toxic Metals in Environment. In Kaolinite: Occurrences, Characteristics and Applications, Nova Science Publishers, 2012.

[5]  Tang Y., Shih K., Wang Y., Chong T.-C. Zinc stabilization efficiency of aluminate spinel structure and its leaching behavior. Environmental Science & Technology, 2011, 45: 10544-10550.

[6] Wang, Z.; Liang, K.; Chan, S.-W.; Tang, Y. Fabrication of Nano CuAl2O4 Spinel for Copper Stabilization and Antibacterial Application. Journal of Hazardous Materials, 2019, 371(5), 550-557.

[7]  中华人民共和国环境保护部. 2017年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报, 2017.

[8] Tang Y., Lee P.-H., Shih K. Copper sludge from printed circuit board production/recycling for ceramic materials: a quantitative analysis of copper transformation and immobilization. Environmental Science & Technology, 2013, 47: 8609-8615.

作者简介：

唐圆圆，南方科技大学助理教授，副研究员，研究方向包括固体废物污染控制与资源化、塑料与微/纳塑料环境影响等。迄今共主持国家自然科学基金等科研课题7项，教学课题2项，主要参与科技部重点研发计划等科研课题8项。发表SCI学术论文60余篇，参编论著2部。担任SCI期刊Environ. Geochem. Hlth.副主编及Waste Manage. Res.编委，获“香港工程师学会青年工程师/研究员优秀论文奖”、深圳市“海外高层次人才”、校“优秀青年科研奖”、“优秀教学奖”、“优秀书院导师”等荣誉 。

致谢：感谢南科大教授会会长、海洋科学与工程系教授刘青松提出的详细修改建议。

作者：唐圆圆

编辑：苗雪宁

设计：丘妍

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