編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國前沿科技項目推出“我和我的研究”系列文章，邀請科學(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。

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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，借助科技的力量，變廢為寶的故事時有發(fā)生。

今天我們要講的也是一個變廢為寶的故事。

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先認識一下主人公：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）

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)時減緩火勢的蔓延，保護建筑結(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，阻止火勢和煙霧沿著幕墻或穿過樓層蔓延，尤其在對防火要求級別高的建筑中，巖棉的應(yīng)用尤為重要。

然而，當(dāng)這些巖棉材料達到使用壽命，或在建筑物拆除過程中被廢棄時，它們便成為了環(huán)境的負擔(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)實驗發(fā)現(xiàn)，廢棄巖棉其實還有其它的用途，實現(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）。

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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，因為鉻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）

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。

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，鉻有多種不同的價態(tài)，其中，六價鉻和三價鉻的性質(zhì)迥然不同。六價鉻是一種強氧化劑，可與機體組織發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生自由基，破壞細胞結(jié)構(gòu)，屬于高毒性物質(zhì)。如果大量接觸六價鉻，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，嚴重的甚至?xí)T發(fā)肺癌或鼻中隔穿孔！因此，六價鉻是環(huán)境中具有高毒性的重金屬污染物之一，必須嚴格管控和處理。

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

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

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

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

采用零價鐵還原六價鉻的過程中，主要面臨的問題包括還原效率的穩(wěn)定性、零價鐵的團聚和鈍化現(xiàn)象。零價鐵在水環(huán)境中容易被氧化，導(dǎo)致其活性下降，進而影響對六價鉻的還原能力。同時，零價鐵的團聚會減少其表面積，降低與六價鉻接觸的機會，進而降低修復(fù)效率。因此，在實際應(yīng)用中，需要考慮如何提高零價鐵的穩(wěn)定性和分散性以提高還原六價鉻的效率和效果。

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

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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鐵載體和保護層。

通過采用鹽酸處理廢棄巖棉，巖棉表面會出現(xiàn)很多微納米級的裂縫，形成多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，像一個個“小房子”。這為零價鐵顆粒的分散提供了空間，使它們可以均勻進入這些“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，可以吸持一些六價鉻。而且?guī)r棉的硅酸鹽組分還可以分離零價鐵顆粒，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久地發(fā)揮魔力。

最終，科學(xué)家們研制出了一種零價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。這就是我們強大的六價鉻捕捉者，以及環(huán)境治理的新式“法師+助手”組合！

（c）ARWZ（負載零價納米鐵的酸處理巖棉）

（圖片來源：參考文獻1）

那么，ARWZ是如何來“馴服”六價鉻的呢？

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

ARWZ“馴服”六價鉻的過程示意圖

（圖片來源：參考文獻1）

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這種新型環(huán)保材料有何應(yīng)用？

（1）ARWZ可用于守護土壤健康

ARWZ可以阻止和控制六價鉻在土壤中移動和遷移。由于六價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，擴散到更廣范圍，造成嚴重的環(huán)境污染。但是ARWZ可以切斷它的“腿”，將其攔腰按在原地！

這要歸功于ARWZ的吸附還原能力，以及其本身的磁性。被捕獲的六價鉻和轉(zhuǎn)化生成的三價鉻復(fù)合物都會被牢牢吸持在ARWZ顆粒表面，避免了遷移。同時，ARWZ也具有一定的磁性，這使得即使少量脫離也不會輕易流失。阻斷了六價鉻的擴散，我們也就不用再擔(dān)心污染會通過土壤、水體進入食物鏈，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，ARWZ會發(fā)揮它強大的吸附還原能力，將水體中的六價鉻捕獲；被吸附的六價鉻也會被還原并結(jié)合在濾棉環(huán)保過濾材料內(nèi)部。這樣可以去除90%以上的六價鉻，產(chǎn)生凈化的輸出水。即使長時間使用，ARWZ也不會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，長期運行，確保工業(yè)廢水得到安全凈化。

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結(jié)語

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

這項研究不僅提供了高效處理六價鉻污染的新方法，也實現(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，未來會有更多的廢棄物被發(fā)掘價值，轉(zhuǎn)化利用，為人類可持續(xù)發(fā)展貢獻力量！

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參考文獻

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.