【十万个高科技为什么】给危险的重金属造个“晶体房子”
2020年06月30日 新知 浏览量 :417

【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?


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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。

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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。

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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。

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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

部分图片来源网络


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