“點(diǎn)石成金”的新科技，廢棄物搖身一變，化身環(huán)保新材料！

出品：科普中國(guó)

作者：郭欣悅、杜悅、葛鴻漸（中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“我和我的研究”系列文章，邀請(qǐng)科學(xué)家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學(xué)世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。

在我們的生活中，有許多看似無用的廢棄物，比如用過的舊衣服、廢紙、壞掉的電器等等。但其實(shí)，借助科技的力量，變廢為寶的故事時(shí)有發(fā)生。

今天我們要講的也是一個(gè)變廢為寶的故事。

先認(rèn)識(shí)一下主人公：廢棄巖棉

巖棉，是一種人造礦物纖維，主要由熔融巖石、礦渣或玻璃制成，經(jīng)過高溫熔化、高速離心等工藝處理后形成纖維狀物質(zhì)。它以其輕質(zhì)、耐火、保溫和隔音的特性，在建筑保溫、船舶制造和工業(yè)設(shè)備隔熱等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

建筑外墻的保溫材料：巖棉（圖中左側(cè)的黃色材料）

（圖片來源：Veer圖庫(kù)）

例如，巖棉板可以被用于玻璃幕墻的非可視部分、石材幕墻等各類型墻板的保溫隔熱處理。它不僅能夠提高建筑的能源效率，減少采暖和制冷的能耗，還能在火災(zāi)時(shí)減緩火勢(shì)的蔓延，保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)和人員的安全。此外，巖棉還常作為樓層之間的防火隔斷使用，阻止火勢(shì)和煙霧沿著幕墻或穿過樓層蔓延，尤其在對(duì)防火要求級(jí)別高的建筑中，巖棉的應(yīng)用尤為重要。

然而，當(dāng)這些巖棉材料達(dá)到使用壽命，或在建筑物拆除過程中被廢棄時(shí)，它們便成為了環(huán)境的負(fù)擔(dān)，這是由于巖棉纖維的物理特性，它們很難通過傳統(tǒng)的回收方法進(jìn)行處理。這不僅增加了處理成本，也限制了廢棄巖棉的有效回收利用。

不過，科學(xué)家們通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，廢棄巖棉其實(shí)還有其它的用途，實(shí)現(xiàn)“再就業(yè)”。這一切都與一種特殊的金屬元素有關(guān)，它就是——鉻（gè）。

廢棄巖棉“再就業(yè)”的故事與鉻有關(guān)

鉻是一種銀白色的金屬，最早被發(fā)現(xiàn)存在于鉛礦石中，得名于希臘語的“色彩”一詞，因?yàn)殂t酸鹽具有豐富的色彩。

化學(xué)元素周期表中的鉻元素

（圖片來源：Veer圖庫(kù)）

在我們?nèi)粘Ｉ钪?，不少東西都與鉻有關(guān)。例如，裝飾我們車輛的鉻鋼保險(xiǎn)杠和尾管，使食品和藥品著色的食用色素，還有讓我們筆記本電腦時(shí)尚亮麗的鉻黑等等?？梢哉f，鉻元素為人類的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

金屬鉻

（圖片來源：Enpedia）

但是，這并不意味著所有的鉻都是“友好”的，鉻有多種不同的價(jià)態(tài)，其中，六價(jià)鉻和三價(jià)鉻的性質(zhì)迥然不同。六價(jià)鉻是一種強(qiáng)氧化劑，可與機(jī)體組織發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生自由基，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，屬于高毒性物質(zhì)。如果大量接觸六價(jià)鉻，可能導(dǎo)致我們出現(xiàn)頭痛、惡心、胃痛、腹瀉、肝腎損害等癥狀，嚴(yán)重的甚至?xí)T發(fā)肺癌或鼻中隔穿孔！因此，六價(jià)鉻是環(huán)境中具有高毒性的重金屬污染物之一，必須嚴(yán)格管控和處理。

那三價(jià)鉻離子又是什么樣呢？事實(shí)上，三價(jià)鉻的毒性很低，天然存在于許多食物和維生素中，是人體必需的微量元素。適量的三價(jià)鉻對(duì)維持正常新陳代謝十分重要，可以看作人體健康的“守護(hù)神”。

所以，科學(xué)家們觀察到，如果能想辦法把六價(jià)鉻離子轉(zhuǎn)變成三價(jià)鉻離子，就可以解決六價(jià)鉻離子污染的問題。

將六價(jià)鉻離子轉(zhuǎn)變成三價(jià)鉻離子，就像馴服“惡魔”的過程。這中間，需要一根強(qiáng)大的魔法鐵杖?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，零價(jià)鐵最適合這一重任。

什么是零價(jià)鐵？簡(jiǎn)單說就是帶電的鐵原子。它具有很強(qiáng)的還原性，可以割斷六價(jià)鉻中的鉻氧鍵，吸收其中的氧原子，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槿齼r(jià)鉻。

采用零價(jià)鐵還原六價(jià)鉻的過程中，主要面臨的問題包括還原效率的穩(wěn)定性、零價(jià)鐵的團(tuán)聚和鈍化現(xiàn)象。零價(jià)鐵在水環(huán)境中容易被氧化，導(dǎo)致其活性下降，進(jìn)而影響對(duì)六價(jià)鉻的還原能力。同時(shí)，零價(jià)鐵的團(tuán)聚會(huì)減少其表面積，降低與六價(jià)鉻接觸的機(jī)會(huì)，進(jìn)而降低修復(fù)效率。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮如何提高零價(jià)鐵的穩(wěn)定性和分散性以提高還原六價(jià)鉻的效率和效果。

面對(duì)這一難題，科學(xué)家們找到了一個(gè)絕佳的助手！這個(gè)助手就是我們一開始提到的廢棄巖棉。

廢棄物搖身一變，成為有助環(huán)保的新型材料

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，廢棄巖棉經(jīng)過特殊處理，可以變成理想的零價(jià)鐵載體和保護(hù)層。

通過采用鹽酸處理廢棄巖棉，巖棉表面會(huì)出現(xiàn)很多微納米級(jí)的裂縫，形成多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，像一個(gè)個(gè)“小房子”。這為零價(jià)鐵顆粒的分散提供了空間，使它們可以均勻進(jìn)入這些“房子”并靠在巖棉內(nèi)壁上，就像藏在戰(zhàn)壕或者樹叢中，不會(huì)暴露或者聚在一起，從而發(fā)揮最大的魔力。

（a）巖棉；（b）經(jīng)過鹽酸處理的巖棉；

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

不僅如此，巖棉本身也具有一定的吸附作用，可以吸持一些六價(jià)鉻。而且?guī)r棉的硅酸鹽組分還可以分離零價(jià)鐵顆粒，防止它過快氧化。所以，巖棉助手多重的功能，讓鋼鐵鑄就的魔杖可以長(zhǎng)久地發(fā)揮魔力。

最終，科學(xué)家們研制出了一種零價(jià)鐵納米顆粒裝載于功能化廢棄巖棉上的新型納米復(fù)合材料——ARWZ。這就是我們強(qiáng)大的六價(jià)鉻捕捉者，以及環(huán)境治理的新式“法師+助手”組合！

（c）ARWZ（負(fù)載零價(jià)納米鐵的酸處理巖棉）

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

那么，ARWZ是如何來“馴服”六價(jià)鉻的呢？

首先，ARWZ可以高效地從水體中捕捉和清除六價(jià)鉻離子。原理在于，巖棉本身可以通過物理吸附，固定一部分六價(jià)鉻離子；同時(shí)，零價(jià)鐵也會(huì)吸引六價(jià)鉻離子接近，利用其強(qiáng)大的還原性，迅速將六價(jià)鉻轉(zhuǎn)變?yōu)槿齼r(jià)鉻。這樣，六價(jià)鉻離子就變成了毒性很弱的三價(jià)鉻，并牢牢吸附在ARWZ材料內(nèi)部。

ARWZ“馴服”六價(jià)鉻的過程示意圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

這種新型環(huán)保材料有何應(yīng)用？

（1）ARWZ可用于守護(hù)土壤健康

ARWZ可以阻止和控制六價(jià)鉻在土壤中移動(dòng)和遷移。由于六價(jià)鉻離子帶電且具有很好的水溶性，它可以輕易隨地下水系統(tǒng)在土壤內(nèi)部移動(dòng)，擴(kuò)散到更廣范圍，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。但是ARWZ可以切斷它的“腿”，將其攔腰按在原地！

這要?dú)w功于ARWZ的吸附還原能力，以及其本身的磁性。被捕獲的六價(jià)鉻和轉(zhuǎn)化生成的三價(jià)鉻復(fù)合物都會(huì)被牢牢吸持在ARWZ顆粒表面，避免了遷移。同時(shí)，ARWZ也具有一定的磁性，這使得即使少量脫離也不會(huì)輕易流失。阻斷了六價(jià)鉻的擴(kuò)散，我們也就不用再擔(dān)心污染會(huì)通過土壤、水體進(jìn)入食物鏈，最終危及人體健康。即使少部分被吸收，也已轉(zhuǎn)變?yōu)槎拘院苋醯娜齼r(jià)鉻形式。

（2）ARWZ可用于凈化工業(yè)廢水

此外，ARWZ材料還可以被填充入濾棉之中，制作成過濾器。濾棉本身就像一塊天然海綿，具有空腔結(jié)構(gòu)。這使得ARWZ可以安全穩(wěn)定地駐扎其中，發(fā)揮去鉻功能。

當(dāng)污染水流經(jīng)該過濾層時(shí)，ARWZ會(huì)發(fā)揮它強(qiáng)大的吸附還原能力，將水體中的六價(jià)鉻捕獲；被吸附的六價(jià)鉻也會(huì)被還原并結(jié)合在濾棉環(huán)保過濾材料內(nèi)部。這樣可以去除90%以上的六價(jià)鉻，產(chǎn)生凈化的輸出水。即使長(zhǎng)時(shí)間使用，ARWZ也不會(huì)從過濾層中脫落或流失。

這種理想的和可靠的濾材，完全可以制作成管道過濾器，安裝在工業(yè)廢水排放管道中，長(zhǎng)期運(yùn)行，確保工業(yè)廢水得到安全凈化。

結(jié)語

以上的研究成果，為中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院吳正巖團(tuán)隊(duì)研發(fā)，并以《Zero-valent iron nanoparticles supported by functionalized waste rock wool for efficient removal of hexavalent chromium》為題，發(fā)表在了國(guó)際期刊《Chemical Engineering Journal》上。

這項(xiàng)研究不僅提供了高效處理六價(jià)鉻污染的新方法，也實(shí)現(xiàn)了廢棄巖棉的再利用，可謂一箭雙雕。

工業(yè)循環(huán)利用廢棄材料，是實(shí)現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一。這不僅減輕了廢物堆放污染問題，也節(jié)約了天然資源，降低了成本，是典型的多贏模式！。

相信通過這次科研工作的啟示，未來會(huì)有更多的廢棄物被發(fā)掘價(jià)值，轉(zhuǎn)化利用，為人類可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量！

參考文獻(xiàn)：

1.Zhou, L., Li, R., Zhang, G., Wang, D., Cai, D., & Wu, Z. (2018). Zero-valent iron nanoparticles supported by functionalized waste rock wool for efficient removal of hexavalent chromium. Chemical Engineering Journal, 339, 85-96.