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专家信息 科学研究 论文专著 发明专利 荣誉奖励 媒体报道

专家信息:

潘纲,男,博士,研究员、博士生导师,中科院生态环境研究中心研究员。曾任国家基金委优秀科学家群体和中科院优秀团队成员、科技部欧盟科技合作项目首席科学家,十五国家重大专项副首席科学家、十五和十一五国家重点基础研究项目课题负责人、多项国家自然科学基金项目负责人、国家基金委重大基金项目专家组专家、国家发改委澳发署太湖项目国际专家委员会专家、中国环境学会水环境分会副理事长、中国海洋湖沼学会水环境分会理事、中国物理学会同步辐射专业委员会委员、美国化学会会员、若干学术期刊的编委。
 

学习及工作经历:

1982-1990年在青岛海洋大学从事物理化学的教学与科研。

1991-2002年分别在East Anglia大学、leeds大学、Imperial College等英国大学作博士、博士后、和高级研究员。

2000年入选中科院“百人计划”。

2003年入选“优秀百人计划”。

教学情况:

招生专业:

环境界面化学:招收物理化学毕业生。

湖泊污染治理:招收生态、藻类、水生动植物和环境科学毕业生。

培养学术情况:

资料更新中…………

科学研究:


研究方向:

一、吸附理论、方法、及应用

亚稳平衡态吸附理论发现了建立近百年的界面热力学基础理论中的一个根本性缺陷,并排除此缺陷重建了界面热力学基本方程式(J. Colloid Interface Sci., 201, 71-85, 连续2篇)。该理论指出传统的吸附反应平衡常数实际上是非常数的,这将影响到大量以往在胶体与界面、化学化工、环境、催化与材料等领域中已经发表的吸附平衡常数的可靠性问题。近年来已将MEA理论应用到以下研究方向(为构建该学派的理论体系框架奠定了基础):解释了近三十年来国际上一直悬而未解的科学之迷“固体浓度效应”(J. Colloid Interface Sci., 201, 77;Colloids and Surfaces A,151, 127);预测了科学界尚未认知的“初始浓度效应”;建立了环境中磷吸附的交叉型吸附模型(Environ. Sci. & Technol., 36, 3519);解决了光催化动力学传统理论(Langmuir-Hinshellwood方程)中长期存在的问题(环境化学,25, 1-15,连续3篇); 发展了温度循环扫描技术首次使测定吸附不可逆反应动力学成为可能; 发展了同步辐射测定吸附状态微观结构的技术(J. Colloid Interface Sci., 271, 28-35, 连续2篇);发展了用量子化学计算研究亚稳态吸附的方法(J. Phys Chem. A, 33, 7648,物理化学学报, 21,1378,2篇);发展了基于MEA理论预测环境中污染物毒性的实验(DNA构型变化法)和理论方法(Environ. Pollution, 2007)。

二、 分子环境科学

利用同步辐射(XAFS)的实验手段和量子化学计算的理论手段从分子水平研究污染物在环境界面上的微观构型、反应活性和生物可给性。研究的污染物主要为砷,重金属,磷,PFOS,及其它POPs物种。

三、湖泊富营养化治理

在国内外提出了“改性原位土壤水华清除-生态修复技术”。 该技术可以利用湖泊/水源地生态系统本身具有的岸边土壤高效除藻,巧妙解决了生态安全性和实际工程成本问题。它首次将絮凝技术与生态技术相结合达到既可快速应急除藻,又可治理底泥二次污染和湖泊富营养化,从而达到防止水华复发和长期改善水质的效果。可机械化操作进行大面积水华清除工程(应急效果),并可机械化操作同步进行大面积沉水植被恢复(长期效果)(Environmental Pollution, 141,195-212, 连续3篇),该结果被Environmental Science & Technology(2006,Vol. 40)以新的环境技术热点做了介绍。目前已在该系列技术上申请了11项中国发明专利(其中6项已经授权),一项国际专利,发表论文20篇。

承担科研项目情况:

1. 国家十五重大科技专项: 太湖水源地水质改善技术.项目编号2002AA60101, 2000-2005 (副首席科学家)。

2. (国家重点基础发展规划项目(973) : 湖泊富营养化与水华形成机理.项目编号2002CB412308. 2003/1~2005/12 (课题负责人)。

3. 自然科学基金: 一类新的环境污染物PFOS(全氟辛烷磺酰基化合物)的环境界面性质研究, 项目编号20477050, 2005.1-2007.12. (主持)。

4. 自然科学基金: 矿物-微生物配合物治理天然水有毒藻污染的研究.项目编号.20177029, 2002.1-2004.12 (主持)。

5. 自然科学基金: 重新定义固/液界面吸附平衡常数及其在环境化学中的应用.项目编号20073060, 2001.1-2003.12 (主持)。  

6. 国家自然科学基金项目(界面物理化学和蓝藻水华治理)。

主要贡献:

1、创建亚稳平衡态吸附理论体系(MEA理论)。

2、创建改性土壤水华清除-水质改善-底泥修复-生态修复湖泊综合修复技术体系。

3、发展分子环境科学的实验研究方法(XAFS、STM等)和理论研究方法(量子化学计算等)。

4、近5年在物理化学和湖泊领域发表论文70多篇,其中SCI论文40多篇,申请发明专利20多项。  

论文专著:


1 复合纳米Fe_3O_4的制备及其控磷效能的研究 李垒; 潘纲; 陈灏 环境科学 2010-03-15

2 PFOS在锐钛矿、针铁矿表面化学吸附的密度泛函研究 马骁楠; 夏树伟; 潘纲 第五届全国环境化学大会摘要集 2009-05-10

3 黄河沉积物磷形态沿程分布特征 张宪伟; 潘纲; 陈灏; 廖龙标; 郭博书; 王晓丽 环境科学学报 2009-01-15

4 内蒙古段黄河沉积物对磷的吸附特征研究 张宪伟; 潘纲; 王晓丽; 陈灏; 郭博书; 包华影 环境科学 2009-01-15

5 粘土原位除藻技术研究 邹华; 潘纲; 程子波江南大学环境与土木工程学院 环境科学 2009-02-15

6 Zn(Ⅱ)在TiO_2表面上的微观吸附模式研究 杨玉环; 潘纲; 马骁楠; 陈灏; 张美一; 何广智; 李薇 高等学校化学学报 2009-02-10

7 分子环境科学与亚稳平衡吸附理论研究进展 潘纲; 何广智 物理 2009-07-12

8 Zn(Ⅱ)/α-FeOOH吸附体系的固体浓度效应 徐丛; 李薇; 潘纲 物理化学学报 2009-09-15

9 As(V)在TiO_2表面的吸附机理 张美一; 何广智; 丁程程; 陈灏; 潘纲 物理化学学报 2009-10-15

10 用EXAFS研究pH对Zn(Ⅱ)-TiO_2体系吸附和微观构型的影响 高爽; 陈灏; 何广智; 潘纲 高等学校化学学报 2009-12-10

11 稳定化的零价Fe,FeS,Fe_3O_4纳米颗粒在土壤中的固砷作用机理 张美一; 潘纲 科学通报 2009-12-15

12 吸附模式对有机物光催化降解的影响1.H-酸在TiO_2表面的吸附模式 刘媛媛; 潘纲 环境化学 2006-01-30

13 吸附模式对有机物光催化降解的影响2.H-酸在TiO_2表面的光催化降解途径 刘媛媛; 潘纲 环境化学 2006-01-30

14 吸附模式对有机物光催化降解的影响3.MEA-Langmuir-Hinshelwood光催化降解动力学方程 潘纲; 刘媛媛 环境化学 2006-01-30

15 用EXAFS研究Zn(Ⅱ)在γ-MnOOH上的吸附热力学行为 李晋; 潘纲; 陈灏; 李薇 环境科学学报 2006-10-30

16 Zn(Ⅱ)在δ-MnO_2和γ-MnOOH两种矿物上吸附的初始溶质浓度效应 李晋; 陈灏; 潘纲; 高美媛 环境科学学报 2006-10-30

17 全氟辛烷磺酸盐在天然水体沉积物中的吸附-解吸行为 贾成霞; 潘纲; 陈灏 环境科学学报 2006-10-30

18 PDADMAC强化絮凝去除腐殖质类天然有机污染物的研究 田秉晖; 葛小鹏; 潘纲; 栾兆坤 环境科学 2007-01-15

19 改性沉积物除藻对水质改善的效果研究 张木兰; 潘纲; 陈灏; 田秉晖; 高爽; 袁宪正 环境科学学报 2007-01-30

20 阳离子聚电解质强化絮凝去除活性染料的研究 田秉晖; 潘纲; 栾兆坤 环境化学 2007-01-30

21 氯化镧改性黏土固化湖泊底泥中磷的研究 袁宪正; 潘纲; 田秉晖; 陈灏 环境科学 2007-02-15

22 用延展X射线精细结构吸收光谱研究Zn(Ⅱ)-TiO_2体系的颗粒物浓度效应和吸附可逆性 李薇; 潘纲; 陈灏; 张美一; 何广智; 杨玉环 核技术 2007-03-10

23 阳离子聚电解质强化絮凝去除有机污染物的化学成因 田秉晖; 潘纲; 栾兆坤 化学进展 2007-03-24

24 壳聚糖改性粘土絮凝除藻的机理探讨 邹华; 潘纲; 阮文权 环境科学与技术 2007-05-10

25 温度对Zn(II)-TiO_2体系吸附可逆性的影响 李薇; 潘纲; 陈灏; 张美一; 何广智; 李晋; 杨玉环 物理化学学报 2007-06-15

26 阳离子聚电解质聚二甲基二烯丙基氯化铵的絮凝机理初探 田秉晖; 栾兆坤; 潘纲 环境科学学报 2007-11-15

27 第12届世界湖泊大会在印度召开 潘纲 湖泊科学 2008-01-06

28 黄河中下游沉积物对磷酸盐的吸附特征 王晓丽; 潘纲; 包华影; 张宪伟; 陈灏; 郭博书 环境科学 2008-08-15

29 Zn(Ⅱ)/γ-MnOOH体系化学吸附的密度泛函理论研究 夏树伟; 马骁楠; 于良民; 潘纲 高等学校化学学报 2008-09-10

30 湖泊蓝藻水华生态灾害形成机理及防治的基础研究 吴庆龙; 谢平; 杨柳燕; 高光; 刘正文; 潘纲; 朱本占 地球科学进展 2008-11-10

31 六价铬抑制淡水蓝绿藻生长的毒性效应 陈海柳; 潘纲; 闫海; 秦延文 环境科学 2003-03-30

32 用EXAFS研究Zn在水锰矿上的吸附-解吸机理 潘纲; 秦延文; 李贤良; 胡天斗; 谢亚宁; 吴自玉 环境科学 2003-05-30

33 EXAFS研究Zn在δ-MnO_2上的吸附-解吸机理 潘纲; 李贤良; 秦延文; 胡天斗; 吴自玉; 谢亚宁 环境科学 2003-07-30

34 黏土絮凝沉降铜绿微囊藻的动力学及其作用机理 潘纲; 张明明; 闫海; 邹华; 陈灏 环境科学 2003-09-30

35 亚稳平衡态吸附(MEA)理论——传统吸附热力学理论面临的挑战与发展 潘纲 环境科学学报 2003-03-26

36 单核Zn(Ⅱ)水合和水解形态的量子化学计算 朱孟强; 潘纲 环境化学 2005-09-30

37 EXAFS研究不同酸度下Zn~(2+)在水锰矿表面的吸附和沉淀 朱孟强; 潘纲; 李贤良; 刘涛; 杨玉环 物理化学学报 2005-10-15

38 用密度泛函和XANES计算研究Zn~(2+)在水锰矿表面的吸附和沉淀 朱孟强; 潘纲; 刘涛; 李贤良; 杨玉环; 李薇; 李晋; 胡天斗; 吴自玉; 谢亚宁 物理化学学报 2005-12-15

39 应用NucliSens Easy Q定量检测人类免疫缺陷病毒1型RNA 姚均; 潘纲; 蒋岩; 裴丽健; 潘品良 中华检验医学杂志 2005-12-21

40 应用紫外辐射技术灭活血液成分中病原体研究的新进展 姚均; 蒋岩; 潘纲 传染病信息 2005-02-15

41 微囊藻毒素的提取和提纯研究 闫海; 潘纲; 张明明; 陈海柳; 邹华 环境科学学报 2004-03-26

42 碳纳米管加载微生物高效去除微囊藻毒素研究 闫海; 潘纲; 邹华; 李贤良; 陈灏 科学通报 2004-07-15

43 壳聚糖改性粘土对水华优势藻铜绿微囊藻的絮凝去除 邹华; 潘纲; 陈灏 环境科学 2004-11-30

44 藻细胞不同生长阶段的海泡石凝聚除藻性能 陈灏; 潘纲; 张明明 环境科学 2004-11-30

45 离子强度对粘土和改性粘土絮凝去除水华铜绿微囊藻的影响 邹华; 潘纲; 陈灏 环境科学 2005-03-30

46 水环境中铜离子有害性的DNA表征方法 常国华; 潘纲; 陈灏 环境科学 2005-03-30

47 亚稳平衡吸附态与亚稳平衡系数关系的热力学研究 马子川; 潘纲; 魏雨; 陈灏 高等学校化学学报 2005-03-15

48 用EXAFS研究pH对水溶液中Zn(Ⅱ)微观结构的影响 李贤良; 潘纲; 朱孟强; 陈灏; 胡天斗; 吴白玉; 谢亚宁; 杜永华 核技术 2004-12-15

49 微囊藻毒素研究进展 闫海; 潘纲; 张明明 生态学报 2002-11-25

50 铜、锌和锰抑制月形藻生长的毒性效应 阎海; 潘纲; 霍润兰 环境科学学报 2001-05-26

51 一种重金属铜离子毒性的快速DNA检测法 常国华; 潘纲; 陈灏 中国化学会第七届水处理化学大会暨学术研讨会会议论文集 2004-09-01

52 染料中间体H-酸在TiO_2上的吸附及光催化降解机理 刘媛媛; 潘纲 中国化学会第七届水处理化学大会暨学术研讨会会议论文集 2004-09-01

53 阳离子聚电解质强化絮凝去除活性染料的研究 田秉晖; 潘纲; 栾兆坤 中国化学会第八届水处理化学大会暨学术研讨会论文集 2006-08-01

54 改性沉积物除藻对水质改善的效果研究 张木兰; 陈灏; 田秉辉; 高爽; 袁宪正; 潘纲 中国生态学会2006学术年会论文荟萃 2006-08-01

55. Pan,G., hang, M., Chen, H., Zou, H., Yan, H. Removal of cyanobacterial blooms in Taihu Lake using local soils. I.Equilibrium and kinetic screening on the flocculation of Microcystis aeruginosa using commercially available clays and minerals. Environmental Pollution. 2006, 141:195-200

56. Zou, H., Pan,G., Hao Chen, Xianzheng Yuan. Removal of cyanobacterial blooms in Taihu Lake usinglocal soils. II. Effective removal of Microcystis aeruginosausing local soils and sediments modified by chitosan. Environmental Pollution. 2006, 141:201-205

57. Pan,G., Hua Zou, Hao Chen, Xianzheng Yuan. Removal of harmful cyanobacterial blooms in Taihu Lake using local soils. III. Factors affecting the removal efficiency and an in situ field experiment using chitosan-modified local soils. Environmental Pollution. 2006, 141:206-212

58. Pan,G., Chang, G., Chen, H., Giusty, L., Assessment of the relative toxicity of Cu2+ by measuring structural changes of supercoiled DNA, Environmental Pollution. 2006 (in press).

59. Zhu, M., Pan,G., Quantum chemical studies of mononuclear Zinc seciation of hydration and hydrolysis, J. PHYS. CHEM. A. 2005, 33: 7648-7652

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61. Zhu MQ, Pan,G., Li XL, et al. EXAFS study of Zn (II) adsorption and precipitation on gamma-MnOOH surface under different pH conditions, Acta Physico-Chimica Sinica. 2005. 21:1169-1173

62. Yao J, Liu Z, Ko LS, Pan,G., Jiang, Y., Quantitative detection of HIV-1 RNA using NucliSens EasyQ HIV-1 assay, Journal of Virological Methods. 2005 ,129:40-46

63. Ma ZC,Pan,G., Wei Y, et al., A thermodynamic study on the relationship between metastable equilibrium adsorption states and the metastable-equilibrium coefficient of surface adsorption reactions, Chemical Journal of Chinese Universities. 2005, 26 (3): 476-479

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65. Li, X., Pan,G., Qin, Y., Hu, T., Wu, Z., Xie, Y., EXAFS Studies on Adsorption-Desorption Reversibility at Manganese Oxides–Water Interfaces II. Reversible Adsorption of Zinc on δ-MnO2. J. Colloid Interface Sci. 2004, 271: 35-40

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72. E. Tipping, J. Rieuwerts, Pan,G., M.R.Ashmore, S.Lofts, M.T.R. Hills, M.E. Farago, I.Thornton. The solid-solution partitioning of heavy metals (Cu, Zn, Cd, Pb) in upland soils of England and Wales, Environ. Pollution. 2003, 125: 213-225

73. Li XL, Pan,G., Qin YW, et al.,EXAFS studies on adsorption microscopic structures of Zn at manganite-water interaface and delta-MnO2-water interaface, High Energy Physics and Nuclear Physics-Chinese Edition. 2003, 27: 23-27

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76. Yan, H., Pan,G., Toxicity and bioaccumulation of copper in three green microalgal species. Chemosphere. 2002, 49:471-476.

77. Pan,G., Liss, P. S., Krom, M. D., Particle concentration effect and adsorption reversibility, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 1999, 151:127-133.

78. Pan,G., Adsorption kinetics in natural waters: a generalized ion-exchange model, in Adsorption and its Applications in Industry and Environmental Protection (Dabrowski, Ed., Elsevier), Studies in Surface Science and Catalysis. 1999, 120: 745-761.

79. Herut, B., Krom, M.D., Pan,G. and Mortimer, R., Atmospheric input of nitrogen and phosphorus to the SE Mediterranean, sources, fluxes and possible impact, Limnol. Oceanogr. 1999, 44:1683-1692.

80. Pan, G., Adsorption kinetics in natural waters: a generalised ion-exchange model. Adsorption and Its Application in Industry and Environmental Protection. Studies in Surface Science and Catalysis. 1999, 120:745-761.

81. Pan, G., Liss, P. S., Metastable Equilibrium Adsorption Theory I. Theoretical, J. Colloid Interface Sci. 1998, 201: 71-76.

82.Pan,G., Liss P.S., Metastable Equilibrium Adsorption Theory II. Experimental, J. Colloid Interface Sci. 1998, 201:77-85

83. 潘 纲,环境界面化学进展,《环境化学进展》(戴树桂主编),化工出版社,2005

84. 潘 纲, 环境界面吸附热力学和动力学, 《21世纪的环境化学》(叶常明等主编), 科学出版社,2004

发明专利:

1 一种制备便于储存和运输的高效藻絮凝剂的方法 潘纲; 袁宪正; 张木兰; 陈灏 中国科学院生态环境研究中心 2008-02-13

2 一种利用水质改善间隙进行沉水植被快速修复的方法 潘纲; 张木兰; 田秉晖; 杨波; 李垒 中国科学院生态环境研究中心 2008-08-06

3 可燃性气体传感器在微生物发酵培养中的应用与控制技术 阎海; 张洪勋; 杨敏; 潘纲; 吴刚 中国科学院生态环境研究中心 2001-07-18

4 太阳能集热器在微细藻类培养中的应用技术 阎海; 潘纲; 秦延文; 张明明 中国科学院生态环境研究中心 2002-03-27

5 一种获得高纯度微囊藻毒素的方法 阎海; 张明明; 潘纲 中国科学院生态环境研究中心 2002-11-06

6 一种治理海水赤潮及淡水水华的方法 潘纲; 张明明; 阎海 中国科学院生态环境研究中心 2003-05-14

7 一种高效藻絮凝剂及其用于治理赤潮及水华的方法 潘纲; 邹华 中国科学院生态环境研究中心 2003-05-21

8 消除血液中艾滋病病毒的方法及艾滋病的非药物治疗装置 潘纲 中国科学院生态环境研究中心 2003-06-25

9 一种可降解去除水华中微囊藻毒素的微生物 阎海; 潘纲; 张明明 中国科学院生态环境研究中心 2003-08-13

10 碳纳米管去除水中微囊藻毒素的应用技术 闫海; 潘纲; 邹华; 李贤良 中国科学院生态环境研究中心 2004-10-20

11 用湖泊沉积物治理水华和底泥二次污染的技术 潘纲; 邹华; 陈灏 中国科学院生态环境研究中心 2004-11-03

12 一种控制水体富营养化的高效固磷技术 潘纲; 袁宪正 中国科学院生态环境研究中心 2005-10-26

13 一种利用黏土凝聚将水华转化为水底植被的方法 潘纲; 田秉晖; 陈灏; 张木兰; 袁宪政 中国科学院生态环境研究中心 2006-05-10

14 一种用于湖泊或海洋藻华清除和生态修复的车/船载多功能播撒装置 潘纲; 田秉晖; 陈灏 中国科学院生态环境研究中心 2006-08-23

15 一种定量调控沉水植物生物量的方法及装置 潘纲; 张木兰; 陈娟; 张宪伟 中国科学院生态环境研究中心 2008-09-24

16 一种清除湖泊表层水华的方法及除藻船 潘纲; 张木兰 中国科学院生态环境研究中心 2008-08-27

17 一种利用氧化铁纳米材料高效便捷治理面源污染的方法 潘纲; 李垒 中国科学院生态环境研究中心 2009-03-18

18 一种用于喷洒改性土壤的自动化除藻船 潘纲; 张增光; 张木兰; 李垒; 杨波 中国科学院生态环境研究中心 2009-06-03

19 一种利用纳米气泡修复湖泊和厌氧底泥的方法 潘纲; 杨波; 李垒; 廖龙标; 丁程程; 王丹 中国科学院生态环境研究中心 2009-08-12

荣誉奖励:

1. 优秀"百人计划" 2003.8 。

2. Leading scientists of the world (awarded by IBC, Cambridge, England) 2005。

3. 2009年荣获全国环境保护科学技术一等奖。

资料更新中…………

媒体报道:


 

让湖泊恢复活力

——记潘纲教授的湖泊修复研究

潘纲 博士生导师,中科院生态环境研究中心研究员。

主要研究方向:湖泊富营养化治理、环境界面化学、环境水化学、分子环境科学和环境纳米技术等。

主要经历:从1991年到2001年,分别在英国的East Anglia大学、Leeds大学、Plymouth大学和Imperial College学习和工作;2000年入选中科院“百人计划”,2003年入选“优秀百人计划”。曾任科技部欧盟科技合作项目首席科学家,十五国家重大专项副首席科学家、十五和十一五国家重点基础研究项目课题负责人、多项国家自然科学基金项目负责人、国家基金委重大基金项目专家组专家、国家发改委澳发署太湖项目国际专家委员会专家、中国环境学会水环境分会副理事长、中国海洋湖沼学会水环境分会理事、中国物理学会同步辐射专业委员会委员、美国化学会会员、若干学术期刊的编委。

他的经历处处耀眼。

从创立亚稳平衡态吸附理论,到发现界面热力学中的“初始浓度效应”,他原创性地发展了分子界面热力学的理论框架并发展了用同步辐射和量子化学计算研究固液界面上污染物分子微观结构的手段;

从提出改性当地土壤湖泊综合修复技术原理,提出气态环境纳米技术,到利用天然材料对富营养化浅水湖泊实施大规模修复示范工程,他实现了把廉价土壤变为高效湖泊修复材料的设想。

这就是中国科学院生态环境研究中心潘纲研究员,他将多种科学原理进行交叉融合,将基础研究与创新技术研发相结合并用这种创新技术挑战世界级难题——湖泊富营养化。

水华,浪漫名字背后的严重危害

英文中有一个看起来美丽而浪漫的专有名词——water blooms,字面上看blooms有两种意义,一是可以用来观赏的花卉,二是在物体表面上形成的霜花层。water blooms实际上就是指“水华”,但这种“在水上盛开的霜花层”在它浪漫的名字背后,从来都没有过浪漫的含义。

水华是出现在天然水体中的一种自然生态现象,是湖泊富营养化的一种表现,即藻类过量繁殖聚集的现象。近些年来,由于许多自然和人为因素的影响,排入湖库的氮、磷等营养物质不断增加,致使水体富营养化状况加剧,进而导致各地水华的暴发越来越频繁,规模也越来越大。据专家介绍,严重的水华会覆盖水面,阻止水体中的光合作用及其与大气的交换,使水中的溶解氧浓度迅速降低,造成水生动植物的死亡以及生态和周边环境的破坏(景观和恶臭)。这些影响又进一步对周边城市的政治经济(如投资业、水产业、旅游业)产生严重破坏。同时,藻华常使水体中的藻毒素含量严重超标,这些藻毒素也是肝脏肿瘤的强诱发剂,严重威胁着人体健康和饮用水安全。

为了清除藻华,众多的国内外专家已经投入了多年的努力,研究了多种控制藻华暴发的方法,如化学法、机械法、生物法、生态法和絮凝法等等。但是由于各种方法都存在着这样或那样的缺陷,多年来,人们一直期待着一套安全、有效、成本低、操作简便、可机械化操作并适合大面积水域应急与长效修复的技术能够出现。潘纲教授一直在为实现这一目标而不遗余力地贡献着。

创新,改性当地土壤治理湖泊富营养化

蓝藻水华始终是国家高度重视的课题,同时也是国际上尚未解决的前沿科学问题。为太湖流域治理,国家投入1300亿。为治理滇池,到2010年累计投资也有1000亿,这种投入,充分说明了国家对此的高度重视。关于太湖的蓝藻问题,《science》杂志先后报道了2次,但只是反应现状,没有提出解决的办法。面对这样的世界性难题,面对国家的重大需求,这方面研究的必要性、迫切性就摆在了眼前。潘纲教授告诉记者,治理蓝藻水华归根结底还是治理湖泊富营养化的问题。

早在1997年,潘纲就在利用天然矿物除藻方面取得了一项英国专利,这一专利促使他进一步研究黏土除藻技术在淡水湖泊上的应用。目前,这一技术已经从单一的黏土除藻发展成利用当地改性土壤进行水华清除、水质改善、底质改善和生态修复的多功能、多学科原理交叉的湖泊富营养化综合修复原理。该研究被先后列入中科院“百人计划”、十五国家重大科技专项、十五和十一五国家重点基础研究项目、国家自然科学基金、中国科学院重要方向以及科技部欧盟科技合作等项目。

潘纲告诉记者,他们的研究最初是从系统研究黏土凝聚除藻的科学机理方面开始的。通过对26种不同黏土与藻细胞之间多项絮凝性质的研究发现,除了传统的静电吸附机理外,架桥网捕作用是提高黏土除藻效率的另一重要机理。根据这一科学发现,他们提出了新的固体表面改性研发方向,结果不仅可以大幅度降低一般黏土的投量,而且该改性方法可以使取自任一湖泊本流域的土壤颗粒变成高效的藻絮凝材料,从而为解决低成本、生态安全、和大面积除藻的瓶颈问题指出了一个创新的方向。

但是最初的改性土壤技术仅仅具有应急的除藻效果,并不能解决长效的水华复发和湖泊的富营养化问题。当大量的藻类被转移到水底后,往往会使底泥的厌氧状态加剧,造成底泥污染的二次释放。因此,该技术的第二个研发方向就是如何解决底泥的内源污染问题。其实,底泥的内源污染控制问题本身就是一个制约湖泊富营养化的重大难题。同时,富营养化浅水湖泊中沉水植被修复也是一个耗资、耗时、耗力却成功率很低的难题。潘纲提出进一步发展改性土壤技术以期同步解决底泥厌氧和沉水植被修复的难题。以往解决底泥污染的技术不外乎“挖掉”和“盖住”两种方法。前者不仅耗资巨大而且可能破坏底泥的生态环境,一般仅适用于极度污染的城市小水体,国际学术界普遍认为不适合于大型天然湖泊的修复。而以往“盖住”的方法往往是用化学材料或是湖泊系统原本不具有的工业材料,不仅适用范围小、效果差、而且具有较高的生态风险,更被学术界普遍认为不适用于大面积天然湖泊的修复。以往用种植沉水植被修复底泥和富营养化的瓶颈问题是稳定恢复沉水植被的前提必须是首先改善严重恶化的水质和底质环境,才能使沉水植被恢复成功,如果恶劣的水质和底质环境不改善种植的沉水植被还是要死亡或者逐渐退化,沉水植被退化正是富营养化的必然表现之一。而大面积湖泊水质改善和底泥改善在现有技术的水平下需要很长的时间(在有效控制了外源污染的前提下),世界上尚没有安全、高效、低成本的大面积水质和底质同步快速改善技术。潘纲提出的研究思路是利用改性当地土壤生态安全和廉价的特点(因此可以大面积播撒)结合沉水植被种芽技术和安全的气态纳米技术,使水-沉积物界面的性质在短时间内发生可持续的显著变化,进而达到同步、原位、长效、低成本改善污染底质对水体的影响。为此他们研发了微纳氧改性土壤技术、沉水植物种芽微环境土壤包衣技术、冬春季草-藻转换调控技术、以及底泥藻细胞光合作用调控放氧等系列技术。该技术组合中利用一类无污染的粘度很高的黏土,沉降后可以在原先的污染底泥表层形成一层相当密实的覆盖层暂时隔绝来自污染底泥的污染(几周至几月),改性土壤夹载的大量氧气可高效逆转表层底泥的厌氧状态,促使包覆在优质土壤包衣中的沉水植被种芽快速生长,一旦沉水植被大面积覆盖了底泥表层,便可抑制和吸收藻细胞并通过优势种群季节更替达到长期阻隔来自底泥的内源污染的目的。该技术组合的核心是实现底泥层中草-藻的抑制和转换。冬春季生态调控实验证明,在透明度提高和底质厌氧环境快速改善的几周或几个月内,沉降到底泥的藻细胞不仅不会死亡加剧底泥厌氧,反而会通过光合作用释放一定的氧气,达到废物利用为沉水植被生长添砖加瓦的目的。同时,包覆在干净的土壤包衣富氧环境中的沉水植物种芽在冬春季“藻弱草强”的环境下具有更强的生长能力,可有效地实现藻-草的转换。在夏季局部厌氧的水体中,还可通过播撒改性土壤快速提高水体中的溶氧含量,去除还原性湖泛等异味物质。改性土壤技术的多功能、多学科交叉原理为湖泊综合修复与治理指出一个创新的研究方向。

挑战,向自然索要技术

从1999到2004年经过多年的实验室基础研究确认了各种创新思路的科学性和可行性之后,从2004年起潘纲及其团队每年都在太湖示范区进行实地的试验研究。

2006年8月无锡太湖疗养院湾近10万平米的整个湾内堆满了厚厚的蓝藻,散发出的严重恶臭味弥漫着周边几平方公里的高级饭店和度假区。应无锡市领导的要求,潘纲团队冒着烈日仅用一天的时间就用他们的技术消除了湾内湖面的蓝藻,6个月后该湾内长出大片的沉水植被并成为当地渔民捕鱼的热门区域。

2008年潘纲研究组试制出第一代湖泊综合修复船“泛湖1号”,该船不仅可以播撒改性土壤去除水体内部难以机械打捞的蓝藻,而且可以收获表层蓝藻和沉降到底部的蓝藻,并可在船上就地脱水并将蓝藻泥打包运出湖外。2008年8月21日,改性土壤技术在无锡太湖孟湾接受市政府领导、市蓝藻办、水利局及有关专家的现场示范考核。示范前,5万平米的封闭围隔内盖满了蓝藻。下午6:15考察组到达现场,除藻船开始作业。下午6:45,经过30分钟的改性土壤喷洒整个围隔内的表层蓝藻被完全消除。经多家权威部门独立检测表明,该技术不仅具有每小时处理20万方蓝藻水的高效除藻率,而且可快速提高水体溶解氧,快速逆转底泥厌氧状态,快速提高水体透明度并大幅度降低水体的总氮、总磷含量。该技术示范成功通过无锡市验收。6个月后,孟湾示范区内长出了许多消失了十多年的沉水植被,底质和生物多样性均比未示范的对照区有了显著改善。

2009年潘纲研究组与中国船舶重工集团702所合作试制出第二代自动控制改性土壤湖泊综合修复船。该船可自动制备并喷洒改性土壤大大提高了治理效率。2009年8-9月间,应当地政府的要求在无锡太湖十八湾、谭奚湾、和马山湾分别进行了三次大规模应急除藻示范,均取得了显著的效果。多家独立检测结果表明,该技术在高效除藻、大面积改善水质的同时,可高效去除水体中的异味物质。目前去除水源地水中的“湖泛”等异味物质是无锡太湖的重要目标之一。09年12月,无锡市有关部门再次通过了09年这3项示范工程的验收,并建议大力推广使用该技术。

潘纲教授进一步介绍他的“改性当地土壤”技术。从成本上考虑,原位土壤不仅原材料成本低而且运输成本也降到了最低。从安全性上考虑,本流域内原生态的清洁土壤对于湖泊来讲不仅是生态安全的而且悬浮颗粒原本就是河流(如黄河)、湖泊自净的重要机制之一,干净的地表土壤氧化还原电位本身就比多年污染底泥高很多,可以快速逆转底泥厌氧状况促进沉水植被生长。事实上湖泊就是在土壤上孕育而生的,也有很多在当地土壤上快速形成的人工湖泊比如千岛湖、三峡库区等,只要当地土壤不是污染的都不会造成生态问题。当然在我们的技术中改性土壤用量是很少的,如果是应急除藻仅需每平米播撒几十克而已,如果需兼顾底泥和生态修复则不超过每平米几公斤。从操作性上考虑,土壤的获取与操作与任何其他工业材料相比都更具有优势,可以大规模应用。而用以改造土壤材料表面性质的改性剂(该创新技术的核心),更是食品级的水生动物骨骼或天然植物的提取物,它们不仅具有完全的健康安全性(可以食用)而且具有高度的生态安全性,是水生动植物生长不可缺少的要素。

水华清除、水质改善、沉积物修复和生态修复以往是四个相对独立的专门领域,每个领域虽然都有技术进步,但仍缺乏圆满的技术。把这些问题用一个综合的技术原理串在一起同步解决,是没有先例的。要解决这个综合性难题,唯有多学科原理有机融合贯通才行。这项复合技术就是多学科交融的结果,可以在不同时段发挥多种功能。采取这项技术,不但可以清除蓝藻,改性土壤颗粒与蓝藻结合后形成的絮体在下沉的过程中还能够起到改善水质的作用,絮体落入湖底后更可以继续修复底泥。通过水质改善和底质改善进而达到生态修复的长期目标。改性土壤高效的絮凝、吸附作用,使得每一个絮凝体都好像一个个活性炭颗粒,可去除沉降水体中的污染物。使用气态纳米技术,将氧气变成纳米尺度并使其附着在固体颗粒上。当大量的氧气被附着在颗粒上,并被定向输送到底泥时,其氧含量可以远远超过常规溶氧饱和值,这样来进行底泥修复和促进沉水植被修复的安全性、有效性都具备了。这种改性土壤材料可以达到转化氨氮、消除因厌氧而引起的异味物质、逆转底泥的厌氧环境、在底泥环境中促使优势藻种的转化和沉水植被生长等多种作用。潘纲教授特别指出,改性土壤湖泊综合修复技术已经不是最初单一的除藻技术了,用该技术在冬春季水华爆发之前对水体和底泥进行环境修复从而实现草藻转化有可能成为治理湖泊富营养化的突破性方向。

“用安全廉价的原生态天然材料来进行湖泊修复”是潘纲反复强调的主要理念。在这样的世界级难题面前,潘纲坚持污染物原位清除并就地转化且变废为宝的理念,利用原生态材料进行科技创新,同步地改善湖泊的水质和沉积物污染,从而加速湖泊生态的修复。这种多学科多功能的原位处理原理是低成本解决大面积湖泊问题的关键。潘纲教授告诉记者,作为一个物理化学家,他承认这套复合技术利用了多种物理、化学、纳米、生物、和生态学的原理,但是他坚持使用天然材料来实现这些不同的原理和过程,从而保证材料的生态安全性及其与自然的长期和谐性,只是这样做需要真正意义上的多学科交融和创新而已。潘纲对科学与自然的和谐有他的哲学观点。他相信自然界是比人类更高明的造物者,可以合成各种天然物质而且可保证自然界的长期和谐。最高明的科学家是能够正确把握自然并利用自然的人。但这注定只占很少数,否则自然就没有那么多奥妙了。科学是通过仪器或实验可观测并可重复的认知。这些认知在不同的历史时期常常受到研究手段的局限。几十年前认为是科学的东西,现在看来可能就不那么科学了。人类对自然的认识是无止境的,是不断深入的。比如古代人和现代人都可能观测到海市蜃楼的现象,但对它的认知或解释却在变化。目前人类对自然的认知只占自然规律中很小的比例。在我们尚不完全掌握自然规律的历史阶段,采用安全的天然物质,利用或适度调控天然过程来修正已经受损的环境是一种科学的态度。相反,如果不能全面深刻地看到自然环境中各个过程的相互影响和联系而只是一味地把自己专业所知的、对某个具体问题在特定条件下的认识大规模地应用到自然界,有可能破坏了自然的和谐造成各个过程之间以致整个系统的紊乱。这种对相对真理的绝对迷信,其实是不科学的。现代科学更重视战略性、前瞻性的科学境界,不崇尚书呆子或近视眼式的研究模式就是这个道理。很多自然界的报复比如大到全球变暖、小到激素蓄禽养殖、化学杀藻等正是由各种“不科学的技术”而导致的系统紊乱。潘纲说,这样讲并不意味着他对自然和谐持有类似宗教的对自然不可剖析、不可把握的被动保守式的态度。相反,他本人就一直是对探求自然背后的规律有浓厚的兴趣,喜欢发现传统认知体系的不足,解决现有理论框架的困难,从而向了解自然、把握自然、利用自然的方向推进。他说这是科技创新、求真意志和抵御急功近利的源泉,是科学家“器”与“不器”的重要差别。在水华治理方面,与添加化学材料杀藻这种片面做法相反的另一个保守的观点认为蓝藻只能捞出后进行异地处理,不能原位治理或转化,认为只要是向湖里加东西就是不安全的。这种理念也是片面的,因为它忽略了成本、效率、和规模等实际问题。其实,虽然向具有生命的湖泊添加东西往往会导致生态安全问题,但是并不意味着不能加任何东西。有三种东西是可以适度人工调控或使用的:干净的水、干净的空气、和少量干净的土(本流域的土壤颗粒随着降雨径流会天然地进入湖泊),因为它们都是湖泊赖以生存的原生态的材料,对于维护特别是修复病态的湖泊具有重要作用。就像人不能乱吃化学药品(是药三分毒)一样,如果生了病还一味坚持不吃任何药物就不是辨证科学的态度了。改性当地土壤技术是一个不断发展的过程,科学家的前瞻性和战略高度是不断克服阶段性困难最终取得创新成果的重要因素。水华如果不治理本身就会存在于湖泊中(可以存在于表层、水体、或水底),而且其在表层的危害比在水底要大得多。改性土壤技术就是试图从从总体上降低这些危害。通过前述的技术创新我们已经可以在一定程度上对沉降到水底的藻细胞进行多种调控从而达到变废为宝、藻-草转换、和改善底质的目的。但是要搞清楚降低和转化藻类衍生污染物和藻-草转换的机理却是十分复杂和艰巨的长期任务。尽管如此,战略上不能因噎废食停止了技术研发的脚步。

2007年在印度召开的第12届世界湖泊大会上,改性当地土壤湖泊修复的原理得到了与会专家的高度认同并作为世界湖泊科学十大前沿方向之一写入了大会宣言“捷普宣言”中。2009年在武汉召开的第13届世界湖泊大会上,该技术被环保部选为科技成果做了展示,而且“鼓励并实行多学科的技术创新来促进生态修复”的理念被写入了大会宣言“武汉宣言”中。该技术被环境科学与技术领域的权威期刊ES&T作为研究亮点做了报道,其在不同发展阶段的原理陆续在Environmental Pollution, Ecological Engineering等国际专业期刊上发表。潘纲等在湖泊修复方面已获得10多项发明专利并另有10多项专利申请正在审理之中。在2007年秦皇岛饮用水水华危机事件中,该技术被国务院、环保部、和水利部多个专家组确定为首选应急除藻技术方案。2009年,以该技术的创新原理为主要内容,科技部批准了一项欧盟国际合作项目和一项973项目。科学院也正在就环境纳米技术及其在天然水治理中的应用制定重大研究计划。潘纲与长期合作的同事一起也因湖泊富营养化的研究获得2009年全国环境保护科学技术一等奖。在2010年科技部即将发布的《中国水污染治理技术(装备和产品)汇编》中,该技术将作为湖泊治理技术向全国推广。在采访过程中潘纲一再强调,他们的团队在湖泊修复方面取得的成果目前还只是局部的,在利用天然材料实现多学科原理交叉的多功能湖泊原位修复方面还有很多的问题需要解决,改性土壤技术中的许多环节比如气态纳米技术、底泥冬春草-藻转换技术等仍在进一步研发之中。将基础研究成果应用于天然湖泊修复的长期效果还是需要时间来给出答案。

基础,走向应用也是升华

潘纲的目光始终关注在将创新的基础研究发现应用到实际工程方面。潘纲在提及基础与应用、微观与宏观的时候如是说,做基础研究往往需要深入微观,追求深度。而要解决实际工程问题则需要综观全局,对不同事物之间的联系有辨证的认识。现有工程技术解决不了的问题有时反而需要从基础研究入手,搞清机理,找出制约现有理论或技术体系的根本原因,探索出与传统理论框架不同的新原理,并一路把它发展到工程应用上。基础和应用结合,做起来是很不容易的,也需要不同文化和不同思维方式的融合。淡薄功利、追求实质性原创的科学发现往往需要使命感对信念的支持、艺术感对灵感的发掘、以及英雄感对困难的克服作为人格底蕴。在2008年的香山科学会议和2009年的东方科技论坛中潘纲教授做了基础研究创新与应用技术突破的特邀报告。他认为自己最大的科学贡献是在分子界面热力学领域提出的亚稳平衡态吸附理论和他首次预言并证实的初始浓度效应。这些理论发现不仅将极大地改变人们对诸多环境过程的认识,而且是各种土壤颗粒表面改性技术的思想源泉。由于这次采访主要是针对潘纲的湖泊修复技术,因此未能就他的固体表面调控基础研究做报道。

罗马不是一天建成的,潘纲的改性当地土壤湖泊综合修复技术历经10年艰辛历程,一路走来经历过各种质疑、困难、痛苦和喜悦。潘纲是个儒雅而又勇敢坚强的人,敢于创新,坚持科学求真。他期待着他的技术能够在不久的将来,在国内外淡水湖泊的藻华和湖泊富营养化的治理中发挥重要作用。

来源:《科学中国人》

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