中科院上海硅酸盐研究所黄富强团队在组装用于铺设在污水表面的“治污神器” 丁汀摄/本刊
近日，我国科学家率先在国际上研发出一种“超级材料”，为黑臭水体治理提供了全新可能。将这种“超级材料”即全太阳光谱增强的三维石墨烯强化黑色二氧化钛平铺在黑臭水体上，经由太阳光照射，2周内可明显改善水质，帮助黑臭水体变清澈。
今年1月，相关成果获得我国基础科学研究领域最高奖项“国家自然科学奖”二等奖。其原创成果发表SCI（科学引文索引）论文90余篇，引用超过5500次，获得发明专利50多项，并在上海、安徽、江苏等多地示范，效果明显。
5月19日闭幕的全国生态环境保护大会，要求充分利用改革开放40年来积累的坚实物质基础，解决生态环境问题。这一科研成果，能否成为帮助我国整治黑臭水体和污染防治的利器？
“超级材料”的神奇之处
我国黑臭水体的整治，已经到了刻不容缓的地步。
5月7日，生态环境部联合住房和城乡建设部启动2018年城市黑臭水体整治环境保护专项行动。首批督查组对广东、广西、海南、上海、江苏、安徽、湖南、湖北等8个省区市的20个城市开展督查。在目前公布的问题清单中，疑似存在问题的黑臭水体数量达到47个。
然而，在污水生成只增难减的客观形势下，依靠传统的治污方法，见效慢、成本高、耗费人力大，如期完成既定目标存在很大压力。
生态环境部水环境管理司司长张波说，截至2017年底，全国共排查确认黑臭水体2100个，94.3%已经开工整治。“尽管我国水污染防治取得积极进展，但面临的形势依然十分严峻。一些地方面源污染控制尚未实现有效突破，水环境风险隐患突出，年度水质目标完成压力很大。”
科学技术的发展，为治理污染提供了全新选择。中科院上海硅酸盐研究所首席研究员、北京大学化学与分子工程学院教授黄富强，带领两家科研机构的80余人团队、历经7年攻关，近日成功研发出“超级材料”——全太阳光谱增强的三维石墨烯强化黑色二氧化钛。只需在普通吸附网中掺杂“超级材料”，平铺于水面，太阳光照射2周以内，经过光催化反应，水体便有望变清，黑臭随之消减。
据黄富强介绍，“超级材料”由三维石墨烯管和黑色二氧化钛两种特殊材料混合而成，治污原理是“物理吸附+光化学催化降解”。有害有机物是黑臭水体的“元凶”，治理黑臭水体关键是消除这些有机物。自然环境条件下，借助生态的自修复功能，水体中的有害有机物可以自行降解，然而污染严重的黑臭水体自修复能力很弱，生态净化周期会比较长，少则几个月，多则半年甚至几年。“超级材料”可帮助黑臭水体加快有毒有机物的降解速度，缩短水体净化时间，同时重新开启生态环境的自修复净化能力。“三维石墨烯管，负责快速地、尽可能多地牢牢‘抓住’各类有害有机物；黑色二氧化钛作为光催化剂，可对高达95%的全太阳光谱进行高效、充分吸收，进而快速地将捕获上来的有毒有机物降解为二氧化碳和水。”
普通的石墨烯是二维的，形似平铺的纸张，而黄富强团队研制的三维石墨烯管犹如立体的“蜂巢”，比表面积和中空体积增大，对有毒有机物的“抓取量”大大增加。实验结果显示，该团队研发的三维石墨烯管拥有对有些有机类污染物1000余倍于自身重量的超强吸附性能，质量极轻却可承受超强重量且不发生有损坏的形变，导电导热性能极其优异。统计显示，黄富强团队是国际上最早开始三维石墨烯管研究的科研团队，三维石墨烯管入选“2015年度石墨烯行业十大影响力事件”，并被材料科学网评为“2015年材料界的重要发明”。
二氧化钛原本呈白色，是典型的光催化剂，由于只能吸收仅占总太阳能5%的紫外光，不能吸收可见光和近红外光，因此降解有机物的效率较低。为改善二氧化钛吸光效率、进而提升有害有机物的降解速度，黄富强团队采用特殊二步法工艺，制备出的黑色二氧化钛突破了非金属高浓度掺杂的科学难题，实现光吸收高达95%的全太阳光谱。
中科院院士、长春应用化学研究所研究员张洪杰认为，黑色二氧化钛是该成果“核心中的核心”。二氧化钛是最重要的无机功能材料，如何大幅提升二氧化钛对太阳光谱的吸收效率一直是学术界和产业界竞相攻关的前沿热点。几年前，美国密苏里大学陈小波教授研发出黑色二氧化钛，将对太阳光的吸收效率从5%提升到30%，引起国际学术界关注。如今，黄富强团队通过创新性结构设计和元素高效掺杂，将黑色二氧化钛对太阳光的吸收效率大幅提升至95%，无疑是重大突破。
据《瞭望》新闻周刊记者了解，利用“超级材料”治理黑臭水体具有4大优点：一是不动水底淤泥、原位治理，无需动力装置，直接利用太阳光，运营维护简单，“超级材料”无毒、无新增污染。二是水体含氧量显著提高，水体自净化和生态修复能力大幅增强。三是吸附污水中有毒重金属含量表现突出，打破行业纪录。四是水洗后吸附网可重复使用，成本低、寿命长。
除治理河水、湖泊等典型的黑臭水体，这一“超级材料”在处理印染废水、制革废水等工业污水方面也有突出成效，例如，添加1克新型“超级材料”可吸附1.476克铅离子，简单酸化处理后，重金属离子可回收并被加工成各类高附加值材料，变废为宝。
与此同时，“超级材料”还可广泛应用于治理大气、水体、土壤、原油泄漏等各类污染，将“超级材料”掺杂进口罩制备材料、土壤改良剂中，可高效吸附雾霾、黑臭污水、土壤污染中有害物质。
以土壤重金属污染为例，污染土壤的重金属主要包括汞、镉、铅、铬和类金属砷等生物毒性显著的元素。添加“超级材料”的新型土壤改良剂，可快速吸附土壤中各类有毒重金属离子，回收再利用。
示范应用显奇效
大规模示范应用是衡量科研成果是否成熟、是否具备放大推广潜能的“试验场”。
在过去一个月间，黄富强团队在上海市长宁区天山公园和中山公园湖面、安徽省合肥市肥东县定光河、江苏省宜兴市徐舍镇黑臭河共铺设“超级材料”光降解网3000多张，覆盖水域总面积近4万平方米。
据本刊记者了解，上海市长宁区天山公园湖中，由于大量树叶落入导致湖底淤泥越积越厚，水中有机物分解会消耗大量溶解氧，产生带有腥臭气味的化合物，周围居民反映湖面常有死鱼漂浮。
全程跟踪“超级材料”示范效果的记者看到，4月25日，团队开始一期应用示范，将涂覆有“超级材料”的光降解吸附网铺在湖面后，不动水底淤泥，吸附网就能将有机物分解为二氧化碳和水，进而提高水体含氧量，增强水体自净化和生态修复能力。
上海轻工业环境保护技术研究所检测中心和江苏省环境科学研究院环境工程重点实验室的检测结果显示，治理仅7天后，代表性指标均从劣Ⅴ类水质改善至Ⅴ类水质以上。其中，化学需氧量下降76%，从劣Ⅴ类水质改善至Ⅲ类水质；氨氮下降97%，从Ⅲ类水质改善至Ⅱ类水质；总氮下降46%，从劣Ⅴ类水质改善至Ⅴ类水质；总磷下降73%，从劣Ⅴ类水质改善至Ⅴ类水质。
上海中山公园湖水示范效果同样明显：三项关键指标平均下降76%，整体水质从劣Ⅴ类水质改善至Ⅴ类水质以上。
在安徽省合肥市肥东县，团队对定光河污染较为严重的中上游河段进行治理。该河段宽约35米，河心深度约2.5米，河底淤泥约0.5米，岸边有屠宰场、大型学校和工厂。治理前，江苏省环境科学研究院环境工程重点实验室的检测结果显示，该河段为劣Ⅴ类水质，化学需氧量超标0.415～1.825倍，氨氮超标9.2倍，总磷超标1.95倍。治理后，污水各项指标的去除率达60%以上。
肥东县环保局水环境管理科主任薛铁成说，定光河流经农业区、集镇生活区和工业区，污染源种类复杂，是复合污染型的典型代表河道。多年来，定光河水治理一直是老大难问题，这次政府在污染较严重的河段尝试采用高科技手段治污，效果远超预期。
除治理效果显著，“超级材料”还具备成本比较优势。黄富强介绍，将“超级材料”与市面主流材料做严格的实验室对比测试，针对印染废水、制革废水、造纸废水等几类典型的难降解高浓度有机废水，市面材料20分钟可降解完成，而“超级材料”只需2～3分钟，在降解速度提高5～10倍的情况下，制备成本与市面材料相当，材料制备的经济性为下一步大规模推广应用打下扎实基础。
推广应用盼“接棒”
目前上述两大关键材料均已走出实验室，实现快速、无污染、低缺陷规模化制备，获得发明专利50多项，由团队自主设计、搭建的低成本技术生产线已具备50吨年产能，多次出口至加拿大、新加坡、沙特等国。
陈小波认为，黑色二氧化钛是极好的光催化材料，但稳定、大规模制备出性能优异的黑色二氧化钛长期未攻克，黄富强团队破解了这一难题。“他们研发的独特制备方法具有很多明显技术优势，让大规模低成本生产黑色二氧化钛成为可能，这是一项具有里程碑意义的突破性成果，必将极大促进该材料的实际应用和商业化。”
中科院上海硅酸盐研究所所长宋力昕说：“目前，世界范围内具备三维石墨烯管和黑色二氧化钛低成本、大规模制备能力的团队只此一个，两种关键材料的核心技术完全自主可控，真正实现了国际领跑。”
黄富强说，“超级材料”已经完整走过了基础科学研究、小试、中试、放大、商业化示范应用的全过程。“作为科研工作者，我们的使命已经完成。下一步有待完成成果放大、推广的重任，需要政府和企业‘接棒’。”
著名分析化学专家、中国工程院院士杨裕生认为，该团队将基础性研究成果成功转化为实用技术，进而实现工程化开发应用，尤为难能可贵。技术本身具有极强的原创性和先进性，对特定有机污染物的降解速度与传统材料相比提高5~10倍，有望对传统污水处理技术带来革命性变革。这项成果值得大力推广应用，服务国计民生、解决国家污染防治重大需求。
上海市科技工作党委书记刘岩说，污染防治事关群众切身利益，事关政府形象建设。打赢污染防治攻坚战光靠老办法不行，各地政府必须转变治污理念、用好高新科技。“这项前沿基础科研成果现已完整走通产业落地全过程，实属不易。下一步，各地政府、企业应加快承接，进一步扩大新成果的应用范围，确保‘成果’不会变成‘陈果’。”
