#每日科普# 【不用洗的衣服来了,可它的面料干净吗?】如果你仔细观察过荷叶上的水珠,就会发现圆滚滚的水珠向四面逃窜,生怕被捕捉到似的,半点驻足都没有。水珠能在荷叶上如此“丝滑”,是因为荷叶是超疏水材料。

受到荷叶表面微观形貌和化学成分的启发,科学家们总结出了制造超疏水表面的一般法则:一是需要在材料表面构建微米—纳米级微小粗糙结构,如同荷叶表面的乳突状结构一样;二是需要材料表面有较低的表面能,固体物质的表面能越低,疏水性就越好,因此需要尽量降低表面能。从这两点出发,近二十年来,人工制造的超疏水材料得到迅速发展,甚至部分产品已经投入了市场进行商用。

自清洁材料,本身却不清洁

然而,微小粗糙结构和低表面能这两个必要条件,却也成为超疏水材料的软肋,阻碍了它的实际应用。首先,材料表面的微小结构是相当脆弱的,很容易在日常磨损中被破坏,这就要求材料本身具有更高的强度。

近年来关于超疏水材料的前沿研究,大部分都是朝着材料“更硬、更强、更韧”的方向努力。但更高的强度会导致材料难以降解,用于构成粗糙结构的纳米颗粒也难以回收。

同时,为了降低表面能,需要使用大量对环境和人体危害极大的低表面能改性剂,这些都会造成环境污染问题。超疏水材料的优势特性之一,是材料具有自清洁性能,可以保护表面不受污染,降低维护成本,达到降低能源和资源损耗的目的。然而,制作它所带来的环境问题却违背了这一初衷。

因此,在高强度的超疏水材料大规模投入市场之前,我们或许需要先考虑如何解决这些材料在制备、使用以及废弃后的各个环节所带来的环境污染问题。

“绿化”超疏水材料

实际上,在解决超疏水材料所带来的环境污染问题方面,材料科学家们也提出了一些可能的策略,比如用可生物降解的塑料制备超疏水材料。提出这一策略的出发点是好的,具体应用却可能产生问题。这些可生物降解的塑料在单独使用时或许能够满足环保要求,但是在超疏水材料中,这些材料并非单独使用,为了得到疏水性,还需要使用改性剂进行表面改性,以及加入大量的颗粒来得到粗糙结构,这就导致这些塑料基体虽然本身可以降解,但在降解过程中却也把其他有毒的化学物质及纳米颗粒释放到了周围环境中。因此,这类为环保而生的可降解塑料并不适用于制备超疏水材料,能解决污染问题的新方法仍待发掘。

近年来,科学家们研发了一些在特殊化学环境下可快速降解,并且可以高效回收的高强度塑料,这成为可降解、可回收塑料体系的又一分支。其中,2014年Garcia. J.等人发现了一种在酸性条件下可降解、可回收的热固性聚合物聚六氢三嗪(PHT),这种聚合物兼具高强度和可降解、可回收等性能。受这种材料的启发,2021年5月,兰州大学门学虎团队、中科院兰州化学物理研究所张招柱团队,以及英国玛丽女王大学陆遥团队通过合作,提出将PHT与疏水颗粒结合,用该策略实现超疏水材料在制备、使用和废弃后处理等各个环节的绿色无污染。

不同于前人的方法,门学虎团队在这一工作中用水相反应制备PHT纳米颗粒,以便与经过表面改性的各类疏水颗粒均匀混合。混合后的粉末通过热压方法制备出致密的块体材料,其表面经过简单的打磨与刻蚀处理后,具有了像荷叶表面一样的粗糙结构以及超疏水性。超疏水材料的制备完全在水相体系中,避免了有机溶剂污染。

相较于已有的超疏水材料降解、回收途径,通过这一方法制备出的材料基体可以在酸性环境中快速降解,降解液中包含的小分子可进行回收,而疏水颗粒也可通过简单的过滤进行回收,并再次用于制备材料。这种降解与回收方式,避免了白色污染,原料的回收效率在90%以上,资源利用率大大提高,同时,颗粒的回收也消除了产生粉尘污染的可能。可以说,将PHT与疏水颗粒结合这一策略在各个环节都降低了超疏水材料产生环境污染的可能性。

不仅如此,材料降解中的一处细节包含着研究人员为环境着想的苦心——超疏水材料的加入使原本能在酸中降解的PHT获得了耐酸性,为了保持疏水性的同时,保持可降解性,研究人员使用微量的乙醇作为“激活”可降解性的“钥匙”——加入乙醇后的材料可以在两小时内快速降解,这一巧妙的办法实现了材料的化学稳定性与可降解性之间的双赢。

在解决问题中进步

当然,这一研究也有自身局限——首先,虽然颗粒的回收率高达90%,避免了浪费也降低了污染,但颗粒仍需要提前进行表面修饰,并且回收的疏水颗粒最终仍会面临如何处理的问题。其次,热压制备的块体材料应用范围相当有限。考虑到实用性,团队正在尝试从分子层面进行设计,制备本身就具有超疏水性和可降解、可回收性能的材料,这样一方面避免颗粒的引入,制备出能够完全降解的超疏水材料,另一方面,从分子角度进行考虑,让材料形式不拘泥于块体材料这一种。

人类从自然中获得灵感,不断运用智慧与技术,研制开发出各种新型的材料,而一些新型材料给人们的生活带来极大的便利。与此同时,科学家除了关注材料功能本身,也越来越意识到环境保护的重要性,将可持续发展这一理念纳入到科研的过程中。更多方面的考量意味着更多的挑战,新的问题会在科研道路上不断涌现,但材料科学家们不断过关斩将,开发出多面全能的新材料来。

也许在不久的将来,超疏水材料会广泛应用在我们的生活中,人们不再需要费力清洁衣服上不慎沾染的污渍,而大自然也不用担心这些材料“弄脏”自己的衣服。对“懒癌”友好、又对环境友好的超疏水材料,着实令人期待。

来源:我是科学家iScientist

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2021年6月4日<政风行风热线>节目内容:
上线单位:淮南市生态环境局
上线嘉宾:党组成员 副局长 孙远虎

大气环境科科长 余群

市生态环境局机动大队副大队长 林严
主要内容:大气污染治理相关问题
一、什么是大气污染物?影响我市空气质量的主要污染指标是哪些? 大气污染物是指由于人类活动或自然过程排入大气并对环境或人产生有害影响的物质,既包括粉尘、烟、雾等气溶胶状态污染物,也包括硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物等气态污染物。 区域空气质量的好坏可通过环境空气质量指数(AQI)来定量评价。参与环境空气质量评价的基本指标包括二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、臭氧、可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)6项。国家《环境空气质量标准》中规定了一类和二类环境空气功能区各指标的浓度限值。除自然保护区、风景名胜区和其他需要特殊保护的区域外,其他区域均为二类区。其中二类区二氧化硫的年均值不能超过60微克每立方米;二氧化氮的年均值不能超过40微克每立方米;PM10的年均值不能超过70微克每立方米;PM2.5的年均值不能超过35微克每立方米;一氧化碳的日均值不能超过4毫克每立方米;臭氧日最大8小时平均不能超过160微克每立方米。 2021年1~5月,我市二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳和臭氧的累计浓度分别为7.5微克每立方米、26.7微克每立方米、0.6毫克每立方米和137微克每立方米,均低于国家二类区标准;PM10、PM2.5的累计浓度分别为101.8微克每立方米、53.1微克每立方米,分别超出国家二类区标准的1.45倍、1.5倍,说明影响我市空气质量的指标主要为颗粒物,通俗地讲,就是淮南还比较脏,城市空气不够洁净。另外还有一个指标需要引起我们的关注,这个指标就是臭氧,最近几年,我是夏季臭氧浓度有逐步升高的趋势。 二、那么您说的PM2.5和PM10这些颗粒物和臭氧超标会对人体健康有哪些影响? PM2.5和O3污染是我国城市当前面临的较突出的环境问题之一,高浓度的PM2.5和O3会对人体健康是会产生不利影响的。 (一)PM2.5对人体的危害有:(1)引发心脏病、动脉硬化、心脑血管疾病;(2)引发肺部硬化、肺癌等;(3)引发哮喘和慢性支气管炎等呼吸道疾病;(4)引发各种细菌性疾病;(5)患癌症的风险增高。 (二)超标 O3 的危害包括: (1)刺激人的呼吸道,造成咽喉肿痛、胸闷咳嗽、引发支气管炎和肺气肿;(2)影响人的神经,头晕头痛、视力下降、记忆力衰退;(3)对人体皮肤中的维生素 E 起到破坏作用,致使人的皮肤起皱、出现黑斑;(4)还会破坏人体的免疫机能,诱发淋巴细胞染色体病变,加速衰老,致使孕妇生畸形儿。 当然,上面所说的影响是在长期、高浓度条件下可能会引发的身体问题,不是说必然会出现这些问题。 大气污染问题与我们每个人都息息相关。人可以不喝受到污染的水,可以购买饮用水,喝经过处理加工的水。但是,不可能不呼吸空气,每个人都需要呼吸新鲜的空气,但是每时每刻也在产生空气污染物。比如,每家每户都要炒菜、做饭,油烟排放就会对空气质量造成一定影响。我们开车出门,享受了方便快捷,但是尾气污染也随之而来。 二.通过介绍,我们了解了大气污染指标和目前我市的指标水平,那么我市在大气污染防治方面又包括哪些重点内容呢? 我市大气污染防治按照各部门职责分工,针对大气污染的主要来源,采取“控煤、控气、控车、控尘、控烧”五控措施。控煤组主要牵头部门为发改委和市场监管局,发改委主要职责是控制煤炭消费总量,发展清洁能源和新能源。市场监管主要职责是散煤禁烧;控气组主要牵头部门为生态环境局和经信局,生态环境局主要职责是工业企业污染治理。经信局主要职责是控制高污染高排放项目;控车组主要牵头部门为交通局和公安局,交通局主要职责是淘汰老旧汽车、开展柴油货车治理。公安局主要职责是禁止冒黑烟车、农用车等高污染、高排放车辆上路;控尘组主要牵头部门为城建局和城管局,城建局主要职责是施工工地扬尘治理,城管局主要职责是城市道路扬尘治理、渣土车管控;控烧组主要牵头部门为生态环境局、公安局和城管局,生态环境局主要职责是秸秆禁烧,公安局主要职责是烟花爆竹禁放,城管局主要职责是餐饮油烟治理。 四、当前正是夏季农作物收割时节,秸秆禁烧是大家都关心关注的问题,今年我市抓好禁烧工作? 为切实做好我市2021年秸秆禁烧工作,根据《安徽省人民政府关于大力发展以农作物秸秆资源利用为基础的现代环保产业的实施意见》、省大气办《关于2020年秸秆焚烧火点认定及进一步做好秸秆禁烧工作的通知》等文件精神,我市制定了《淮南市2021年秸秆禁烧工作方案》。《方案》要求:一要切实加强领导,提高政治站位。各县区、各部门、各单位要从政治和全局的高度,充分认识秸秆禁烧工作的重要性、艰巨性, 完善政府主导、部门联动、群众参与、齐抓共管的工作格局,形成“责任明确、上下联动、横向到边、纵向到底”的监管体系;二要落实主体责任,建立包保机制。按照“党政同责、一岗双责”要求,落实属地管理职责,继续实行秸秆禁烧逐级包保责任制;三要加强巡查监管,做好重点防控。各县区和相关单位要持续保持严防死守的高压态势,实行全天候驻守、巡查和值班制度,加强日常巡查和现场检查。对城市建成区、高速公路、国省道两侧,以及自然保护区、文物保护区、油库、粮库、林地和重要通信、电力设施周边等重点区域实行 24小时不间断巡查检查。要畅通投诉渠道,充分运用“12345”市长热线、“12369”生态环境投诉举报热线,及时受理相关举报;四要加强宣传引导,倡导移风易俗。借助各类媒体,持续开展禁烧宣传教育,深入乡、村、组开展宣传动员。要加大移风易俗宣传,杜绝祭祀焚烧造成的田地过火引燃现象的发生;五要加大处罚力度,严格奖惩兑现。要坚决查处违法行为,对露天焚烧秸秆、落叶、荒草、垃圾等产生烟尘污染物质的,依法责令其停止违法行为,处以罚款。要严格兑现奖惩,对各县区继续实行履责保证金制度;六要严格火点核销,强化工作考核。要规范核销程序,自2021年起,继续实施卫星全年全时段监测,卫星监测发现的火点,因祭祀、电路故障、机械设备和秸秆堆场防火不到位等引发,不再核减。要严肃考核问责。市政府继续将秸秆禁烧工作纳入目标管理绩效考核内容。 五、大气污染事关人民群众的健康和经济发展,为共同守护好淮南的蓝天碧水,公众该如何参与环保呢? 公众参与环保的主要方式就是参与环保监督,举报企业或个人的环境违法行为。比如酒店餐馆油烟直排、夜排挡露天烧烤,施工工地周边围挡不全、土方开挖未湿法作业、施工现场地面裸露、施工物料露天堆放、进出工地的车辆带泥上路,汽车尾气冒黑烟、渣土车抛洒滴漏等常见的环境违法行为,我们公众都可以向县、市环保行政主管部门举报,也可以拨打12369环保投诉热线。在此,我们欢迎大家监督举报,并呼吁大家从我做起,用实际行动支持大气污染防治工作。


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