段文焱：努力“炭”寻 解决污染问题

□ 宋 洁

段文焱在昆明理工大学环境科学与工程学院门口留影

土壤是生命之基，万物之母。千百年来，人类在脚下的这片土地上繁衍生息，收获粮食，汲取水源，开矿挖宝，接受着它慷慨的馈赠。近年来，随着世界经济、科技的快速发展，工业文明的不断进步，各种污染问题接踵而至，相比其他污染，土壤污染则“安静得多”，但危害却不遑多让。

研究发现将生物炭施加到农田当中，一方面可以固定污染物，降低污染物的迁移风险，另一方面由于生物炭对电子传递过程的促进作用，有效地加快了土壤中污染物的降解速率；并且由于生物炭较高的吸附能力，有利于肥料和水分的固定，从而起到提高农作物产量的作用。对此昆明理工大学环境科学与工程学院硕士生导师段文焱和团队一起致力于研究生物炭—铁体系中有机污染物的降解机制，并重点区分电子得失与电子传导这两者的作用。从实际出发，她针对土壤污染防治，优化土壤中的生态系统，力图切实解决土壤面临的污染问题。

海外学习 深入污染研究

用谦虚努力形容段文焱再合适不过了。在首都经济贸易大学本科就读期间，她踏实认真地学好每一门课程，并以优异的成绩获得了出国留学交流的机会。“把学习搞好是作为学生的基本要求，努力学习能使自己拥有更多改变人生轨迹的机会，之后才有能力丰富自己的眼界和阅历，成为自己想成为的样子，这就是我努力的原因。”段文焱坚定地说道。也正是因为对学习持之以恒的努力，段文焱获得了国外老师的一致认可，并得到美国加利福尼亚大学河滨分校攻读博士学位的全额奖学金。

随着学习的不断深入，段文焱的研究目标也发生着改变，从本科时探索微生物在治理环境污染方面的应用，到博士期间重点关注污水回用过程中膜污染的控制。“对于膜污染，应当说，一旦料液与膜接触，膜污染即开始。足可见其对于膜系统稳定运行的危害之大，控制之困难。面对膜污染问题，我主要研究的内容是利用导电膜进行膜污染防治，包括导电膜抗污能力的提升、有机污染物在超滤膜表面的降解去除以及重金属在超滤膜表面的还原去除3个方面。”段文焱介绍道。对于膜污染防治，段文焱着重研究通过膜改性实现对膜污染的原位控制，具体方法是在普通的滤膜表面覆盖一层可导电的纳米碳管，利用纳米碳管的导电性，在膜的表面施加一个负电压，一方面由于水中很多的有机物本身带负电，负负相斥，有机物就不容易附着到膜的表面，从而减缓膜污染的速度；另一方面由于膜的表面增加了一个可控的电压，使得膜表面能发生氧化还原反应，从而降解或去除膜表面的污染物。

水污染中不仅有有机物的污染，重金属对水体污染的危害也不容忽视。如果把含有重金属离子的工业废水任意排放，会使自然水体受到严重污染。其中六价铬在污染水体中去除较为困难，由于其高致癌性、高氧化性，在处理过程中浓缩液处置问题成为一个严峻考验，一般的处理处置方法都需要使用大量的化学试剂。段文焱没有畏惧，她迎难而上，研究出在膜的表面施加一个负电压的新路径。这个负电压能够使污水在通过膜的短暂过程中，把六价铬还原成三价铬，并沉积到膜的表面，由于三价铬本身不具有毒性，这样不仅能使通过膜的出流液中不含有铬金属，还能使废液中的铬金属的毒性大大降低，从而降低了后期对污水的处理处置的难度。

在国外的学习经历让段文焱受益匪浅，认真努力的她以优异的成绩毕业，并有多篇论文发表在Journal of Membrane Science、ACS Applied Material Interfaces等世界一流期刊中。

做自己喜欢的事 把成果献给团队

2016年，27岁的段文焱于美国加利福尼亚大学河滨分校毕业后申请了“昆明理工大学高层次人才引进计划”，毅然决然地回到祖国，回到家乡发展，并于2017年获得云南省首批“千人计划”青年人才称号。国外的学习研究经验为她如今的研究奠定了坚实的基础。“虽然都是围绕着炭材料进行研究，但我如今的方向从处理污水的碳纳米管膜变成了探索人为添加的碳材料在土壤物质迁移转化过程中所扮演的角色。”回国后段文焱的研究方向有所改变，但不变的依旧是她的努力认真。

作为新型的环境功能材料，生物炭最近十几年来在环境污染物控制、土壤功能提升等方面，受到了广泛的重视。生物炭良好的电子传导能力和电子供受能力，能影响微生物的活性和污染物的迁移转化。由于土壤中存在大量电子传递过程，从理论上讲，在生物炭大规模应用中，它的这些电子传递属性必然与土壤本体性质耦合，对有机污染物的环境行为产生新的影响。

正是基于生物炭本身的电子传导性和本身具有醌基结构与半醌基结构而具备电子传导能力的特性，段文焱同团队在研究中需要明确生物炭—铁复合体的得失电子能力以及其电子传导能力对土壤系统的影响，特别是对有机物降解过程中电子传递途径的影响。只有准确了解这些变化，才能够为其合理高效的工程应用提供指导，并全面预测生物炭在进入环境后的效应。在我国农村地区土壤污染问题严重，段文焱进行的生物炭系列研究可以更准确地了解生物炭在有效去除土壤中污染物，促进粮食的作物的生长中所起到的关键作用。

因为不同来源的生物质，比如稻草秸秆或者是花生壳，甚至是厨余垃圾，这些物质在热解的过程当中，所生成生物炭的孔隙、结构是不一样的。段文焱和团队通过对不同母源物质的了解来区分在同一个温度下它们的特性变化。不同制备温度对同一种母源生物质制备出的生物炭性质上也有较大差异，比如200℃时，生物炭表面转变的有机含氧基团比较多，可如果到800℃时，生物炭表面上就基本没有含氧基团了。这些都会影响生物炭本身的性质，而这个性质决定了其电子传递的过程。“所以我们就必须清楚地了解不同母源物下烧制的生物炭，它对土壤中电子传递的效果是什么样？出现不一样的原因是什么导致的？这样我们后期制备所需要的生物炭的时候就可以筛选出合适的生物质或者判断在什么温度下进行烧制能更有针对性地解决土壤问题。”在说到日常实验工作时段文焱说道。

“明确努力的方向，做自己喜欢的事情，把研究成果贡献给团队。”回国后，段文焱加入昆明理工大学教授潘波的实验团队中，能加入到这个优秀的团队中，她感到很自豪。在潘波的领导下，团队中的每个人都有明确的方向。潘波会给团队的成员提供很多资源，并根据每个人的特点和擅长的领域分工合作，共同完成好研究项目。在与潘波的讨论中，段文焱也受益良多，她非常珍惜也很感激能成为这个团队中一员的机会。

目前在昆明理工大学环境科学专业从事教学与科研工作的段文焱，不仅是研究团队的一分子，也承担了学校的教学任务。身为教师的她，尊重学生们的想法，多以课堂讨论的方式进行教学，增强与学生们的互动，提高学生的学习兴趣。也由于自己的学习经历，她经常激励学生，“高考并不能决定今后的所有，大学才能真正决定一个人之后的发展，如果认认真真地利用好大学时光，无论在哪个大学学习，都可以获得很多东西。只要一直保持努力和对世界的好奇心，就没有什么事干不成，作为老师，我会支持我的学生，尊重他们的想法，帮助他们去实现他们的理想抱负”。

指导学生实验

只有不停地创新，才能使科研或学术研究更进一步。也正是因为对于科研的认真探索，段文焱主持了国家自然科学基金青年项目“生物炭—铁体系中有机污染物的降解：电子得失和电子传导作用的区分研究”，拟研究生物炭—铁体系中有机污染物的降解机制，重点区分电子得失与电子传导这两者的作用。段文焱希望能够通过团队的力量，尽早改变我国“先污染后治理”的不良现象，实现早发现、早预防、早解决，把环境污染问题遏制在摇篮里