清華本科生研制出高效率污水凈化材料

    隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展和全球人口快速增長(zhǎng)，水污染問(wèn)題變得日趨嚴(yán)重。據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查，世界上有多達(dá)70%的人不能享用到安全衛(wèi)生飲水。水污染治理作為一項(xiàng)全球性課題，正受到越來(lái)多的關(guān)注。有機(jī)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(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康造成嚴(yán)重威脅。而目前，對(duì)于水中有機(jī)物污染的處理研究，主要集中在有機(jī)物降解和污染物油水分離兩個(gè)方面。

    在清華大學(xué)參加第十三屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽（以下簡(jiǎn)稱“全國(guó)‘挑戰(zhàn)杯’”）的獲獎(jiǎng)項(xiàng)目中，來(lái)自材料學(xué)院的高常銳、林鑫同學(xué)的《可用于油水分離和水凈化處理的雙層TiO2基網(wǎng)膜》項(xiàng)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(guò)程與“TiO2光催化”進(jìn)行有機(jī)物講解的化學(xué)過(guò)程相結(jié)合，將油水分離和有機(jī)物降解兩個(gè)步驟合二為一，極大地提高了水凈化效率。

    說(shuō)到這項(xiàng)研究，不得不從材料學(xué)院2009級(jí)本科生高常銳大三時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開展科技創(chuàng)新課題說(shuō)起。剛開始做研究時(shí)，考慮到實(shí)驗(yàn)室整體的研究方向，基于對(duì)有機(jī)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(jìn)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(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室正進(jìn)行的TiO2網(wǎng)膜課題，逐步探索是否可以用一個(gè)裝置同時(shí)實(shí)現(xiàn)油水分離和可溶有機(jī)污染物降解。

    實(shí)驗(yàn)伊始可謂困難重重，簡(jiǎn)單的TiO2網(wǎng)膜合成就成了第一只“攔路虎”，幸而導(dǎo)師耐心細(xì)致地從最簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)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(rùn)性的油水分離材料進(jìn)行結(jié)合，最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(fù)合表面結(jié)構(gòu)的TiO2負(fù)載銅網(wǎng)，下層為ODP（磷酸十八酯）修飾的TiO2負(fù)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(shí)現(xiàn)油水分離功能；之后在紫外光照下，在上層通過(guò)TiO2光催化反應(yīng)降解有機(jī)污染物，實(shí)現(xiàn)水凈化功能，從而將兩個(gè)步驟整合于一個(gè)裝置之內(nèi)。

    日積月累的不斷思考與勤奮實(shí)驗(yàn)，高常銳最終將成果轉(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》（Integratedoilseparationandwaterpurificationbyadouble-layerTiO2–basedmesh,2013,6,1147-1151），以第一作者身份（通訊作者為清華大學(xué)化學(xué)系副教授馮琳）發(fā)表在SCI期刊《能源和環(huán)境科學(xué)》(Energy&EnvironmentalScience)上，論文影響因子高達(dá)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(jiàn)的。

    在老師的鼓勵(lì)下，高常銳申報(bào)了“挑戰(zhàn)杯”比賽，由于他已臨近畢業(yè)，即將赴美國(guó)西北大學(xué)攻讀博士學(xué)位，研究項(xiàng)目的后續(xù)進(jìn)展主要就落到了他的師妹——材料學(xué)院2010級(jí)本科生林鑫的肩上，她需要推動(dòng)項(xiàng)目從實(shí)驗(yàn)室的學(xué)術(shù)科研向產(chǎn)品的實(shí)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(duì)項(xiàng)目進(jìn)行補(bǔ)充和豐富。

    那時(shí)，越洋的郵件載著這項(xiàng)課題的思路與方法，頻繁地在清華大學(xué)、西北大學(xué)實(shí)驗(yàn)室間往返。此外，林鑫還利用假期看文獻(xiàn)、學(xué)習(xí)儀器的使用，課余時(shí)間也全都在實(shí)驗(yàn)室里度過(guò)，還為了求教問(wèn)題往導(dǎo)師辦公室“跑斷了腿”，并將未理解的細(xì)節(jié)與師兄師姐探討，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的充足準(zhǔn)備才著手推進(jìn)項(xiàng)目研究。

    最終，經(jīng)過(guò)高常銳和林鑫的共同努力，項(xiàng)目得到了全面的完善。經(jīng)過(guò)對(duì)污水處理的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙層TiO2基網(wǎng)膜對(duì)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(jī)污染物的被降解程度在2小時(shí)內(nèi)高達(dá)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(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，原料成本較低，且可以重復(fù)使用，并適用于相對(duì)極端環(huán)境，具有很高的實(shí)用價(jià)值。雖然距離工業(yè)化還有一段距離，但在參賽過(guò)程中，評(píng)委們一致認(rèn)定，該項(xiàng)目成果“在未來(lái)的污水處理領(lǐng)域中擁有廣闊的發(fā)展前景”。

    本次“挑戰(zhàn)杯”能源化工類的參賽作品多達(dá)110多件，而評(píng)委人數(shù)是相對(duì)有限的?！斑@就需要幾分鐘內(nèi)快速抓著眼球，展示最吸引人的部分?！倍此坪?jiǎn)單的思路卻是這個(gè)隊(duì)伍參賽以來(lái)遇到的最大挑戰(zhàn)，如何打破“學(xué)術(shù)匯報(bào)”的組會(huì)模式實(shí)現(xiàn)向“產(chǎn)品展示”的轉(zhuǎn)變，這讓同時(shí)面臨推研面試的林鑫無(wú)從著手，“那時(shí)候壓力挺大的，就想趕快把這件事做好，有時(shí)候吃著飯會(huì)突然冒出一個(gè)想法，就趕緊和朋友們溝通”。

    參賽的最終展示過(guò)程如設(shè)想一般完美，甚至吸引了一位評(píng)委再次返回展示臺(tái)前詢問(wèn)細(xì)節(jié)。到了10月16日，展示最后一天下午，原定四點(diǎn)半撤展，但很多人都認(rèn)為評(píng)委不會(huì)再來(lái)“光顧”了，因此三點(diǎn)多已經(jīng)有不少大學(xué)的參賽團(tuán)隊(duì)陸續(xù)開始收拾展位準(zhǔn)備離開。而林鑫和同伴們卻認(rèn)為參加比賽應(yīng)該善始善終，堅(jiān)持到最后一刻。出乎大家意料的是，果然有一位評(píng)委徑直來(lái)到林鑫他們的展位，提出了自己的問(wèn)題，并得到了林鑫準(zhǔn)確清晰的回答。

    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(dǎo)師、輔導(dǎo)員和實(shí)驗(yàn)室?guī)熜謳熃愕难壑校叱ｄJ是一個(gè)穩(wěn)重自信，有著自己節(jié)奏的人，無(wú)論遇到任何困難，他始終對(duì)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(jué)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?xiàng)目申請(qǐng)了一項(xiàng)專利，雖然還沒(méi)有和公司合作，但都希望能通過(guò)自己的努力，加強(qiáng)跨學(xué)科合作，繼續(xù)完善、推進(jìn)項(xiàng)目向真正工業(yè)化生產(chǎn)邁進(jìn)。