清華研發(fā)可用于油水分離和水凈化處理雙層TiO2基網(wǎng)膜
2014-04-09 17:03:43
admin
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據(jù)清華新聞網(wǎng)2013年11月28日訊 隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展和全球人口快速增長，水污染問題變得日趨嚴重。據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查，世界上有多達70%的人不能享用到安全衛(wèi)生飲水。水污染治理作為一項全球性課題，正受到越來多的關(guān)注。有機物污染作為水體主要污染物之一，在工業(yè)廢水、石油廢水、生活污水等中大量存在，對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成嚴重威脅。而目前，對于水中有機物污染的處理研究，主要集中在有機物降解和污染物油水分離兩個方面。
在清華大學參加第十三屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術(shù)科技作品競賽的獲獎項目中，來自材料學院的高常銳、林鑫同學的《可用于油水分離和水凈化處理的雙層TiO2基網(wǎng)膜》項目提出了一種制備親水、親油的雙層TiO2基網(wǎng)膜的方法，創(chuàng)新性地將“油水分離”的物理過程與“TiO2光催化”進行有機物講解的化學過程相結(jié)合，將油水分離和有機物降解兩個步驟合二為一，極大地提高了水凈化效率。
林鑫在全國挑戰(zhàn)杯答辯現(xiàn)場
說到這項研究，不得不從材料學院2009級本科生高常銳大三時進入實驗室開展科技創(chuàng)新課題說起。剛開始做研究時，考慮到實驗室整體的研究方向，基于對有機物降解的光催化技術(shù)、油水分離材料技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及前沿進行充分考察，他選擇了“油水分離”的課題，從紫外光下材料轉(zhuǎn)化的路線深入，同時結(jié)合實驗室正進行的TiO2網(wǎng)膜課題，逐步探索是否可以用一個裝置同時實現(xiàn)油水分離和可溶有機污染物降解。
實驗伊始可謂困難重重，簡單的TiO2網(wǎng)膜合成就成了第一只“攔路虎”，幸而導師耐心細致地從*簡單實驗教起，啟發(fā)了高常銳將具有光催化性質(zhì)的TiO2和具有特殊浸潤性的油水分離材料進行結(jié)合，*終成功合成了課題關(guān)鍵的TiO2網(wǎng)膜材料——一種雙層網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)，即：上層為具有微米納米復合表面結(jié)構(gòu)的TiO2負載銅網(wǎng)，下層為ODP（磷酸十八酯）修飾的TiO2負載銅網(wǎng)。這種雙層TiO2基網(wǎng)膜可在下層分離不互溶的油和水，實現(xiàn)油水分離功能；之后在紫外光照下，在上層通過TiO2光催化反應(yīng)降解有機污染物，實現(xiàn)水凈化功能，從而將兩個步驟整合于一個裝置之內(nèi)。
日積月累的不斷思考與勤奮實驗，高常銳*終將成果轉(zhuǎn)化為論文《可用于油水分離和水凈化處理的雙層TiO2基網(wǎng)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（通訊作者為清華大學化學系副教授馮琳）發(fā)表在SCI期刊《能源和環(huán)境科學》（Energy & Environmental Science）上，論文影響因子高達11.6。本科生以第一作者的身份發(fā)表如此高質(zhì)量的論文，這在清華也是不多見的。
在老師的鼓勵下，高常銳申報了“挑戰(zhàn)杯”比賽，由于他已臨近畢業(yè)，即將赴美國西北大學攻讀博士學位，研究項目的后續(xù)進展主要就落到了他的師妹——材料學院2010級本科生林鑫的肩上，她需要推動項目從實驗室的學術(shù)科研向產(chǎn)品的實際應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，因此需要在污水處理上查閱更多的資料，對項目進行補充和豐富。
那時，越洋的郵件載著這項課題的思路與方法，頻繁地在清華大學、西北大學實驗室間往返。此外，林鑫還利用假期看文獻、學習儀器的使用，課余時間也全都在實驗室里度過，還為了求教問題往導師辦公室“跑斷了腿”，并將未理解的細節(jié)與師兄師姐探討，經(jīng)過長時間的充足準備才著手推進項目研究。
*終，經(jīng)過高常銳和林鑫的共同努力，項目得到了全面的完善。經(jīng)過對污水處理的模擬實驗結(jié)果表明，雙層TiO2基網(wǎng)膜對油水分離和水凈化的效果都很理想，不互溶的油和水可迅速得到分離，而有機污染物的被降解程度在2小時內(nèi)高達95%，而之前一般TiO2網(wǎng)膜處理COD表征效果大概是30～50%，這極大地提高了污水處理的效率。而且，這種雙層網(wǎng)膜的制備方法、過程相對簡單，原料成本較低，且可以重復使用，并適用于相對極端環(huán)境，具有很高的實用價值。雖然距離工業(yè)化還有一段距離，但在參賽過程中，評委們一致認定，該項目成果“在未來的污水處理領(lǐng)域中擁有廣闊的發(fā)展前景”。
參加“挑戰(zhàn)杯”比賽，也給高常銳和林鑫留下了難忘的回憶。在導師、輔導員和實驗室?guī)熜謳熃愕难壑校叱ｄJ是一個穩(wěn)重自信，有著自己節(jié)奏的人，無論遇到任何困難，他始終對自己的作品充滿自信。林鑫也在研究探索中找到了興趣所在：“我覺得做科研還是挺有意思的，希望能繼續(xù)挖掘”。他們和同伴們?yōu)轫椖可暾埩艘豁棇＠m然還沒有和公司合作，但都希望能通過自己的努力，加強跨學科合作，繼續(xù)完善、推進項目向真正工業(yè)化生產(chǎn)邁進。