清华本科生研制出高效率污水净化材料

学通社记者 孙蒙蒙 彭博一 贺冠华 倪萍

  随着现代工业的迅猛发展和全球人口快速增长,水污染问题变得日趋严重。据世界卫生组织调查,世界上有多达 70% 的人不能享用到安全卫生饮水。水污染治理作为一项全球性课题,正受到越来多的关注。有机物污染作为水体主要污染物之一,在工业废水、石油废水、生活污水等中大量存在,对生态环境和人类健康造成严重威胁。而目前,对于水中有机物污染的处理研究,主要集中在有机物降解和污染物油水分离两个方面。

图为作品作者之一林鑫在全国挑战杯答辩现场。

  在清华大学参加第十三届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛(以下简称“全国‘挑战杯’”)的获奖项目中,来自材料学院的高常锐同学、化学系的林鑫同学的《可用于油水分离和水净化处理的双层TiO2基网膜》项目提出了一种制备亲水、亲油的双层TiO2基网膜的方法,创新性地将“油水分离”的物理过程与“TiO2光催化”进行有机物讲解的化学过程相结合,将油水分离和有机物降解两个步骤合二为一,极大地提高了水净化效率。

本科生发表的高影响因子论文

  说到这项研究,不得不从材料学院2009级本科生高常锐大三时进入实验室开展科技创新课题说起。刚开始做研究时,考虑到实验室整体的研究方向,基于对有机物降解的光催化技术、油水分离材料技术的发展现状及前沿进行充分考察,他选择了“油水分离”的课题,从紫外光下材料转化的路线深入,同时结合实验室正进行的TiO2网膜课题,逐步探索是否可以用一个装置同时实现油水分离和可溶有机污染物降解。

  实验伊始可谓困难重重,简单的TiO2网膜合成就成了第一只“拦路虎”,幸而导师耐心细致地从最简单实验教起,启发了高常锐将具有光催化性质的TiO2和具有特殊浸润性的油水分离材料进行结合,最终成功合成了课题关键的TiO2网膜材料——一种双层网膜结构,即:上层为具有微米纳米复合表面结构的TiO2负载铜网,下层为ODP(磷酸十八酯)修饰的TiO2负载铜网。这种双层TiO2基网膜可在下层分离不互溶的油和水,实现油水分离功能;之后在紫外光照下,在上层通过TiO2光催化反应降解有机污染物,实现水净化功能,从而将两个步骤整合于一个装置之内。

图为实验原理展示图。

  日积月累的不断思考与勤奋实验,高常锐最终将成果转化为论文《可用于油水分离和水净化处理的双层TiO2基网膜》(Integrated oil separation and water purification by a double-layer TiO2–based mesh, 2013,6,1147-1151),以第一作者身份(通讯作者为清华大学化学系副教授冯琳)发表在SCI期刊《能源和环境科学》(Energy & Environmental Science)上,论文影响因子高达11.6。本科生以第一作者的身份发表如此高质量的论文,这在清华也是不多见的。

从实验室研究到产品应用

  在老师的鼓励下,高常锐申报了“挑战杯”比赛,由于他已临近毕业,即将赴美国西北大学攻读博士学位,研究项目的后续进展主要就落到了他的师妹——化学系2010级本科生林鑫的肩上,她需要推动项目从实验室的学术科研向产品的实际应用的转化,因此需要在污水处理上查阅更多的资料,对项目进行补充和丰富。

  那时,越洋的邮件载着这项课题的思路与方法,频繁地在清华大学、西北大学实验室间往返。此外,林鑫还利用假期看文献、学习仪器的使用,课余时间也全都在实验室里度过,还为了求教问题往导师办公室“跑断了腿”,并将未理解的细节与师兄师姐探讨,经过长时间的充足准备才着手推进项目研究。

图为项目的实验过程。

  最终,经过高常锐和林鑫的共同努力,项目得到了全面的完善。经过对污水处理的模拟实验结果表明,双层TiO2基网膜对油水分离和水净化的效果都很理想,不互溶的油和水可迅速得到分离,而有机污染物的被降解程度在2小时内高达95%,而之前一般TiO2网膜处理COD表征效果大概是30-50%,这极大地提高了污水处理的效率。而且,这种双层网膜的制备方法、过程相对简单,原料成本较低,且可以重复使用,并适用于相对极端环境,具有很高的实用价值。虽然距离工业化还有一段距离,但在参赛过程中,评委们一致认定,该项目成果“在未来的污水处理领域中拥有广阔的发展前景”。

坚持到最后一刻

  本次“挑战杯”能源化工类的参赛作品多达110多件,而评委人数是相对有限的。“这就需要几分钟内快速抓着眼球,展示最吸引人的部分。”而看似简单的思路却是这个队伍参赛以来遇到的最大挑战,如何打破“学术汇报”的组会模式实现向“产品展示”的转变,这让同时面临推研面试的林鑫无从着手,“那时候压力挺大的,就想赶快把这件事做好,有时候吃着饭会突然冒出一个想法,就赶紧和朋友们沟通”。

  参赛的最终展示过程如设想一般完美,甚至吸引了一位评委再次返回展示台前询问细节。到了10月16日,展示最后一天下午,原定四点半撤展,但很多人都认为评委不会再来“光顾”了,因此三点多已经有不少大学的参赛团队陆续开始收拾展位准备离开。而林鑫和同伴们却认为参加比赛应该善始善终,坚持到最后一刻。出乎大家意料的是,果然有一位评委径直来到林鑫他们的展位,提出了自己的问题,并得到了林鑫准确清晰的回答。

  参加“挑战杯”比赛,也给高常锐和林鑫留下了难忘的回忆。在导师、辅导员和实验室师兄师姐的眼中,高常锐是一个稳重自信,有着自己节奏的人,无论遇到任何困难,他始终对自己的作品充满自信。林鑫也在研究探索中找到了兴趣所在:“我觉得做科研还是挺有意思的,希望能继续挖掘”。他们和同伴们为项目申请了一项专利,虽然还没有和公司合作,但都希望能通过自己的努力,加强跨学科合作,继续完善、推进项目向真正工业化生产迈进。

  编辑:襄桦

 

  

  

  

 

2013年11月28日 09:36:07  清华新闻网

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