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环境修复领域的明星材料——碳纳米管

 在人类健康和生活质量受到极大关注的同时,人类赖以生存的水环境问题也越来越引起人们的关注。由于自然变迁和人类不合适的生产活动等,造成了水环境不同程度的改变、破坏或损害,到目前为止受到破坏或损害的速率远远大于其自身及人工的修复速率。因此,水环境问题已经成为超越国界的全球性问题。国际上对修复受损水环境的重要性已经形成共识,对受损水环境修复技术研究十分重视。我国的人均水资源只相当于世界人均水资源占有量的1/4,居世界第110位。因此,我国的水环境问题尤为突出。近二十年来,由于我国经济和社会的高速发展、气候持续干旱、污染日益严重,水资源的供需矛盾十分突出,已经成为制约经济和社会发展的重要因素。水环境调查表明,我国75%的湖泊、90%以上的城市河流和50%以上的地下水,都受到不同程度的污染,一些“富水”地区也遭受着水质性缺水的危机。我国的水环境问题面临着历史上任何国家都不曾遇到的复杂和严峻的局面,对经济社会、生态系统、人民健康乃至国家安全都构成了严重的威胁,严重地制约了经济和社会的可持续发展。

  芳香族化合物及其衍生物是最主要的水体污染源之一,并成为全球水资源污染的一个普遍问题。这类有毒物质在自然环境下不易降解、并易于在生物体内富集,在环境中能够持久存在,且能通过水体或大气流动在环境中进行长距离迁移,对人类健康和生态环境造成严重的影响。这类污染物广泛来源于农药、染料、塑料、橡胶、冶金、化工和医药等工业的三废排放。此外,焚烧塑料、吸烟、室内装修也能挥发出一些难分解的芳香化合物。这类污染物的毒性极大,不仅是强致癌物,而且对人体血液和神经的毒性也很大,能使生物体的蛋白质发生变性和沉淀,引起组织的损伤、坏死,从而使生物中毒、甚至死亡。如当水中含酚量高于10mg/L,鱼类就无法生存,水中含酚量高于100mg/L,若用来灌溉农田,则会造成农作物减产,甚至可能大量枯死。如果人们长期引用含酚水,可引起头晕、贫血等各种神经系统症状。美国、日本、德国等国都将有机芳香族化合物列为环境中应优先控制的潜在危险性大的有毒污染物之一,必须进行监测及治理。因此如何修复水体中的有机芳香族化合物污染物对于保护生态环境和人类的健康、以及社会的可持续发展具有重要的意义!

  芳香族化合物及其衍生物污染物的无害化处理方法主要有化学法(通过化学反应使废水达到净化)、生物化学法(利用微生物新陈代谢作用达到消除目的)和物理法(如采用萃取或吸附等方法将污染物分子分离)。其中吸附法具有工艺简单易行、成本低廉等优点。目前,吸附法的吸附剂主要是采用活性炭、磺化煤和大孔树脂等,在环境工程修复领域得到广泛应用。

  碳纳米管是由石墨六角网平面卷成无缝筒状时形成‘单层’管状物质或将其包裹在内,层层套叠而成的‘多层’管状物质(如上图所示)。自其诞生之日起,碳纳米管就注定要成为明星分子和明星材料。

  由于碳纳米管具有特殊的结构、超强力学性能、超高比表面积和表面活性等优异性能,使其在众多领域具有广泛的应用前景。其中,纳米管的超高比表面积,再加上碳纳米管表面特殊的富含π电子的多烯分子结构,使其较容易同芳香族化合物及其衍生物中苯环的π电子形成一定的π-π共轭相互作用,从而达到吸附分离芳香化合物污染物的作用。研究表明碳纳米管对酚类化合物、苯胺及其衍生物、萘酚、表面活性剂、有机染料等分子具有良好的吸附分离性能,是一类优异的芳香族化合物及其衍生物污染物吸附分离的明星材料。

林开利

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