清華研發可用于油水分離和水淨化處理雙層TiO2基網膜
2014-04-09 17:03:43
admin
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據清華新聞網2013年11月28日訊 随着現代工業的迅猛發展和全球人口快速增長，水污染問題變得日趨嚴重。據世界衛生組織調查，世界上有多達70%的人不能享用到安全衛生飲水。水污染治理作為一項全球性課題，正受到越來多的關注。有機物污染作為水體主要污染物之一，在工業廢水、石油廢水、生活污水等中大量存在，對生态環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“挑戰杯”全國大學生課外學術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淨化處理的雙層TiO2基網膜》項目提出了一種制備親水、親油的雙層TiO2基網膜的方法，創新性地将“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合，将油水分離和有機物降解兩個步驟合二為一，極大地提高了水淨化效率。
林鑫在全國挑戰杯答辯現場
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、油水分離材料技術的發展現狀及前沿進行充分考察，他選擇了“油水分離”的課題，從紫外光下材料轉化的路線深入，同時結合實驗室正進行的TiO2網膜課題，逐步探索是否可以用一個裝置同時實現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網膜合成就成了第一隻“攔路虎”，幸而導師耐心細緻地從*簡單實驗教起，啟發了高常銳将具有光催化性質的TiO2和具有特殊浸潤性的油水分離材料進行結合，*終成功合成了課題關鍵的TiO2網膜材料——一種雙層網膜結構，即：上層為具有微米納米複合表面結構的TiO2負載銅網，下層為ODP（磷酸十八酯）修飾的TiO2負載銅網。這種雙層TiO2基網膜可在下層分離不互溶的油和水，實現油水分離功能；之後在紫外光照下，在上層通過TiO2光催化反應降解有機污染物，實現水淨化功能，從而将兩個步驟整合于一個裝置之内。
日積月累的不斷思考與勤奮實驗，高常銳*終将成果轉化為論文《可用于油水分離和水淨化處理的雙層TiO2基網膜》（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）發表在SCI期刊《能源和環境科學》（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表如此高質量的論文，這在清華也是不多見的。
在老師的鼓勵下，高常銳申報了“挑戰杯”比賽，由于他已臨近畢業，即将赴美國西北大學攻讀博士學位，研究項目的後續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科研向産品的實際應用的轉化，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，越洋的郵件載着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，課餘時間也全都在實驗室裡度過，還為了求教問題往導師辦公室“跑斷了腿”，并将未理解的細節與師兄師姐探讨，經過長時間的充足準備才着手推進項目研究。
*終，經過高常銳和林鑫的共同努力，項目得到了全面的完善。經過對污水處理的模拟實驗結果表明，雙層TiO2基網膜對油水分離和水淨化的效果都很理想，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小時内高達95%，而之前一般TiO2網膜處理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，這種雙層網膜的制備方法、過程相對簡單，原料成本較低，且可以重複使用，并适用于相對極端環境，具有很高的實用價值。雖然距離工業化還有一段距離，但在參賽過程中，評委們一緻認定，該項目成果“在未來的污水處理領域中擁有廣闊的發展前景”。
參加“挑戰杯”比賽，也給高常銳和林鑫留下了難忘的回憶。在導師、輔導員和實驗室師兄師姐的眼中，高常銳是一個穩重自信，有着自己節奏的人，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，希望能繼續挖掘”。他們和同伴們為項目申請了一項專利，雖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，繼續完善、推進項目向真正工業化生産邁進。