“点石成金”的新科技，废弃物摇身一变，化身环保新材料！

出品：科普中国

作者：郭欣悦、杜悦、葛鸿渐（中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所）

监制：中国科普博览

编者按：为揭开科技工作的神秘面纱，科普中国前沿科技项目推出“我和我的研究”系列文章，邀请科学家亲自执笔，分享科研历程，打造科学世界。让我们跟随站在科技最前沿的探索者们，开启一段段充满热情、挑战与惊喜的旅程。

在我们的生活中，有许多看似无用的废弃物，比如用过的旧衣服、废纸、坏掉的电器等等。但其实，借助科技的力量，变废为宝的故事时有发生。

今天我们要讲的也是一个变废为宝的故事。

先认识一下主人公：废弃岩棉

岩棉，是一种人造矿物纤维，主要由熔融岩石、矿渣或玻璃制成，经过高温熔化、高速离心等工艺处理后形成纤维状物质。它以其轻质、耐火、保温和隔音的特性，在建筑保温、船舶制造和工业设备隔热等领域发挥着重要作用。

建筑外墙的保温材料：岩棉（图中左侧的黄色材料）

（图片来源：Veer图库）

例如，岩棉板可以被用于玻璃幕墙的非可视部分、石材幕墙等各类型墙板的保温隔热处理。它不仅能够提高建筑的能源效率，减少采暖和制冷的能耗，还能在火灾时减缓火势的蔓延，保护建筑结构和人员的安全。此外，岩棉还常作为楼层之间的防火隔断使用，阻止火势和烟雾沿着幕墙或穿过楼层蔓延，尤其在对防火要求级别高的建筑中，岩棉的应用尤为重要。

然而，当这些岩棉材料达到使用寿命，或在建筑物拆除过程中被废弃时，它们便成为了环境的负担，这是由于岩棉纤维的物理特性，它们很难通过传统的回收方法进行处理。这不仅增加了处理成本，也限制了废弃岩棉的有效回收利用。

不过，科学家们通过科学实验发现，废弃岩棉其实还有其它的用途，实现“再就业”。这一切都与一种特殊的金属元素有关，它就是——铬（gè）。

废弃岩棉“再就业”的故事与铬有关

铬是一种银白色的金属，最早被发现存在于铅矿石中，得名于希腊语的“色彩”一词，因为铬酸盐具有丰富的色彩。

化学元素周期表中的铬元素

（图片来源：Veer图库）

在我们日常生活中，不少东西都与铬有关。例如，装饰我们车辆的铬钢保险杠和尾管，使食品和药品着色的食用色素，还有让我们笔记本电脑时尚亮丽的铬黑等等。可以说，铬元素为人类的发展做出了重要贡献。

金属铬

（图片来源：Enpedia）

但是，这并不意味着所有的铬都是“友好”的，铬有多种不同的价态，其中，六价铬和三价铬的性质迥然不同。六价铬是一种强氧化剂，可与机体组织发生反应，产生自由基，破坏细胞结构，属于高毒性物质。如果大量接触六价铬，可能导致我们出现头痛、恶心、胃痛、腹泻、肝肾损害等症状，严重的甚至会诱发肺癌或鼻中隔穿孔！因此，六价铬是环境中具有高毒性的重金属污染物之一，必须严格管控和处理。

那三价铬离子又是什么样呢？事实上，三价铬的毒性很低，天然存在于许多食物和维生素中，是人体必需的微量元素。适量的三价铬对维持正常新陈代谢十分重要，可以看作人体健康的“守护神”。

所以，科学家们观察到，如果能想办法把六价铬离子转变成三价铬离子，就可以解决六价铬离子污染的问题。

将六价铬离子转变成三价铬离子，就像驯服“恶魔”的过程。这中间，需要一根强大的魔法铁杖。科学家们发现，零价铁最适合这一重任。

什么是零价铁？简单说就是带电的铁原子。它具有很强的还原性，可以割断六价铬中的铬氧键，吸收其中的氧原子，将其转变为三价铬。

采用零价铁还原六价铬的过程中，主要面临的问题包括还原效率的稳定性、零价铁的团聚和钝化现象。零价铁在水环境中容易被氧化，导致其活性下降，进而影响对六价铬的还原能力。同时，零价铁的团聚会减少其表面积，降低与六价铬接触的机会，进而降低修复效率。因此，在实际应用中，需要考虑如何提高零价铁的稳定性和分散性以提高还原六价铬的效率和效果。

面对这一难题，科学家们找到了一个绝佳的助手！这个助手就是我们一开始提到的废弃岩棉。

废弃物摇身一变，成为有助环保的新型材料

科学家们发现，废弃岩棉经过特殊处理，可以变成理想的零价铁载体和保护层。

通过采用盐酸处理废弃岩棉，岩棉表面会出现很多微纳米级的裂缝，形成多孔网络结构，像一个个“小房子”。这为零价铁颗粒的分散提供了空间，使它们可以均匀进入这些“房子”并靠在岩棉内壁上，就像藏在战壕或者树丛中，不会暴露或者聚在一起，从而发挥最大的魔力。

（a）岩棉；（b）经过盐酸处理的岩棉；

（图片来源：参考文献1）

不仅如此，岩棉本身也具有一定的吸附作用，可以吸持一些六价铬。而且岩棉的硅酸盐组分还可以分离零价铁颗粒，防止它过快氧化。所以，岩棉助手多重的功能，让钢铁铸就的魔杖可以长久地发挥魔力。

最终，科学家们研制出了一种零价铁纳米颗粒装载于功能化废弃岩棉上的新型纳米复合材料——ARWZ。这就是我们强大的六价铬捕捉者，以及环境治理的新式“法师+助手”组合！

（c）ARWZ（负载零价纳米铁的酸处理岩棉）

（图片来源：参考文献1）

那么，ARWZ是如何来“驯服”六价铬的呢？

首先，ARWZ可以高效地从水体中捕捉和清除六价铬离子。原理在于，岩棉本身可以通过物理吸附，固定一部分六价铬离子；同时，零价铁也会吸引六价铬离子接近，利用其强大的还原性，迅速将六价铬转变为三价铬。这样，六价铬离子就变成了毒性很弱的三价铬，并牢牢吸附在ARWZ材料内部。

ARWZ“驯服”六价铬的过程示意图

（图片来源：参考文献1）

这种新型环保材料有何应用？

（1）ARWZ可用于守护土壤健康

ARWZ可以阻止和控制六价铬在土壤中移动和迁移。由于六价铬离子带电且具有很好的水溶性，它可以轻易随地下水系统在土壤内部移动，扩散到更广范围，造成严重的环境污染。但是ARWZ可以切断它的“腿”，将其拦腰按在原地！

这要归功于ARWZ的吸附还原能力，以及其本身的磁性。被捕获的六价铬和转化生成的三价铬复合物都会被牢牢吸持在ARWZ颗粒表面，避免了迁移。同时，ARWZ也具有一定的磁性，这使得即使少量脱离也不会轻易流失。阻断了六价铬的扩散，我们也就不用再担心污染会通过土壤、水体进入食物链，最终危及人体健康。即使少部分被吸收，也已转变为毒性很弱的三价铬形式。

（2）ARWZ可用于净化工业废水

此外，ARWZ材料还可以被填充入滤棉之中，制作成过滤器。滤棉本身就像一块天然海绵，具有空腔结构。这使得ARWZ可以安全稳定地驻扎其中，发挥去铬功能。

当污染水流经该过滤层时，ARWZ会发挥它强大的吸附还原能力，将水体中的六价铬捕获；被吸附的六价铬也会被还原并结合在滤棉环保过滤材料内部。这样可以去除90%以上的六价铬，产生净化的输出水。即使长时间使用，ARWZ也不会从过滤层中脱落或流失。

这种理想的和可靠的滤材，完全可以制作成管道过滤器，安装在工业废水排放管道中，长期运行，确保工业废水得到安全净化。

结语

以上的研究成果，为中科院合肥物质科学研究院吴正岩团队研发，并以《Zero-valent iron nanoparticles supported by functionalized waste rock wool for efficient removal of hexavalent chromium》为题，发表在了国际期刊《Chemical Engineering Journal》上。

这项研究不仅提供了高效处理六价铬污染的新方法，也实现了废弃岩棉的再利用，可谓一箭双雕。

工业循环利用废弃材料，是实现环境可持续发展的重要措施之一。这不仅减轻了废物堆放污染问题，也节约了天然资源，降低了成本，是典型的多赢模式！。

相信通过这次科研工作的启示，未来会有更多的废弃物被发掘价值，转化利用，为人类可持续发展贡献力量！

参考文献：

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.