摻有PAF納米顆粒的柔性聚合物膜可在脫鹽過(guò)程中，選擇性吸收近乎100％如汞、銅或鐵一類金屬，從而更有效地生產(chǎn)清潔、安全的水。 （圖片來(lái)源：Adam Uliana，加州大學(xué)伯克利分校）

加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)化方法，可去除像汞和硼這類有毒金屬，在水淡化過(guò)程中產(chǎn)生純凈水，同時(shí)可捕獲有價(jià)值的金屬，例如金。

從海水或廢水生產(chǎn)飲用水，農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水的過(guò)程中，脫鹽只是其中一個(gè)步驟。在除鹽前或后，一般都要對(duì)水進(jìn)行處理以去除對(duì)植物有毒的硼和對(duì)人有毒的重金屬如砷和汞。通常，該過(guò)程后會(huì)留下難以處理的有毒鹽水。

這項(xiàng)新技術(shù)可以輕易地應(yīng)用于當(dāng)前基于膜的電滲析脫鹽工藝中，去除近100％的有毒金屬，生產(chǎn)純鹽水和純凈水，并分離出有價(jià)值的金屬，以備后續(xù)使用與處置。

“海水淡化廠或水處理廠通常需要一系列昂貴的前后處理系統(tǒng)，所有水都必須經(jīng)過(guò)這些系統(tǒng)?！奔又荽髮W(xué)伯克利分校研究生，這項(xiàng)技術(shù)論文的第一作者Adam Uliana稱，“但是使用新技術(shù)，我們有能力一次完成多個(gè)步驟，這是一個(gè)更有效的過(guò)程?；旧峡梢曰诂F(xiàn)有設(shè)施來(lái)施行?！?/p>

加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)家合成了就像目前在膜分離工藝中使用的那種柔性聚合物膜，但嵌入的納米顆粒可以通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)吸收特定的金屬離子，例如金或鈾離子。如果要回收某種金屬，這種膜可以包含單一類型的調(diào)諧納米顆粒。如果需要在一個(gè)步驟內(nèi)除去多種污染物，也可以讓膜內(nèi)包含幾種不同類型的納米顆粒，每種類型的顆?？梢晕詹煌慕饘倩螂x子化合物。

包裹有納米顆粒的聚合物膜在水中和高溫下非常穩(wěn)定，但許多其他類型的吸收劑，包括大多數(shù)金屬有機(jī)骨架（MOFs），在嵌入膜內(nèi)時(shí)卻并非如此。

研究人員希望通過(guò)對(duì)納米粒子進(jìn)行調(diào)整，可去除其他類型的有毒化學(xué)物質(zhì)，包括常見(jiàn)的地下水污染物：PFAS或在塑料中發(fā)現(xiàn)的多氟烷基物質(zhì)。他們將這項(xiàng)新技術(shù)稱為離子捕獲電滲析工藝，也有可能用來(lái)去除核電站廢水中的放射性同位素。

嵌入納米顆粒的聚合物膜選擇性去除離子化合物（頂部）被用于電滲析（底部），不僅可去除鹽，還可以去除金屬（很多金屬離子都是有毒的），產(chǎn)生純凈水和更易于處置的無(wú)毒鹽水。膜（綠色和紅色）可以沖洗并重復(fù)使用多次，有價(jià)值的金屬則有可能被回收。（圖片來(lái)源：Adam Uliana，加州大學(xué)伯克利分校）

這項(xiàng)研究發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上，Uliana和加州大學(xué)伯克利分校資深化學(xué)教授Jeffrey Long證明，將聚合物膜應(yīng)用到基于膜的電滲析系統(tǒng)中時(shí)，由于電壓驅(qū)動(dòng)離子通過(guò)膜去除鹽和金屬以及擴(kuò)散滲析（通常用于化學(xué)處理），該膜是高效的。

Long稱：“電滲析是一種已知的用于淡化海水的方法，在這里，我們采用的方法是將這些新納米顆粒摻入膜材料中，并有目標(biāo)性地捕獲有毒離子或中性溶質(zhì)，例如硼。因此，驅(qū)動(dòng)離子穿膜時(shí)，也就是在對(duì)水進(jìn)行凈化，比如說(shuō)去除水中的汞。這些膜對(duì)于去除其他高濃度的金屬（例如銅和鐵）也具有很高的選擇性?！?/p>

全球水資源短缺需要廢水回用

由于氣候變化和人口增長(zhǎng)，水資源短缺在世界各地變得司空見(jiàn)慣，包括在加利福尼亞州和美國(guó)西部。沿海社區(qū)建立了越來(lái)越多的工廠來(lái)淡化海水，但內(nèi)陸社區(qū)也在尋找方法，將污染水源（地下水，農(nóng)業(yè)徑流和工業(yè)廢料）轉(zhuǎn)化為潔凈、安全的作物、工廠、家庭用水。

盡管反滲透和電滲析可以很好地從海水等高鹽度水源中去除鹽分，但殘留的濃鹽水可能仍含有高濃度的金屬，包括鎘，鉻，汞，鉛，銅，鋅，金和鈾。

然而，海洋正日益受到工業(yè)和農(nóng)業(yè)徑流的污染，而內(nèi)陸水源則更是如此。

Long說(shuō)：“這對(duì)于那些污染物水平低但仍含有低濃度有毒物質(zhì)區(qū)域，以及在廢水流中含有多種有毒離子的不同廢水場(chǎng)景特別有用?！?/p>

離子捕獲電滲析可用于同時(shí)淡化水和捕獲目標(biāo)污染物。 （圖片來(lái)源：Adam Uliana）

大多數(shù)脫鹽工藝使用反滲透膜（允許水通過(guò)但不允許離子通過(guò)）或離子交換聚合物（允許離子通過(guò)但不允許水）去除鹽（主要以鈉和氯離子的形式存在于水中）。新技術(shù)僅添加了直徑約200納米的多孔納米粒子，它們捕獲特定離子，同時(shí)允許鈉，氯和其他非靶向帶電分子通過(guò)。

Long設(shè)計(jì)并研究可以用獨(dú)特的分子修飾的多孔材料，這些分子可以從液體或氣流中捕獲目標(biāo)化合物：例如，發(fā)電廠排放的二氧化碳。這些聚合物膜中使用的納米粒子稱為多孔芳族骨架，即PAF，它是由碳原子組成的三維網(wǎng)絡(luò)，這些碳原子由多個(gè)環(huán)狀分子（稱為芳香族化合物）組成。內(nèi)部結(jié)構(gòu)與鉆石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，但是碳原子之間的連接被芳香族分子鏈延長(zhǎng)，從而得到了更大的內(nèi)部空間。各種分子可以附著在芳香族的分子鏈上以捕獲特定的化學(xué)物質(zhì)。

例如，為了捕獲汞，可以使用被稱為硫醇的硫化合物，硫醇能與汞緊密結(jié)合。添加甲基化的硫基團(tuán)可捕獲銅，而含氧和硫基團(tuán)可捕獲鐵。改性后的納米顆粒約占膜重量的20％，但由于它們非常多孔，約占膜體積的45％。

計(jì)算表明，再生該膜之前，一公斤的聚合物膜可去除35000升水中所有的汞（5 ppm）。

Uliana在他的實(shí)驗(yàn)中表明，硼酸（一種對(duì)農(nóng)作物有毒的硼化合物，而非金屬離子）可以被膜上的PAF納米顆粒捕獲，達(dá)到去除的效果，盡管硼酸是依靠濃度梯度造成的擴(kuò)散滲析驅(qū)動(dòng)的。

他說(shuō)：“我們測(cè)試了不同類型的高鹽度水，例如地下水，工業(yè)廢水以及微咸水，該方法在每一種情況都適用。它似乎適用于不同的水源，這是我們希望的設(shè)計(jì)原則之一?！?/p>

Uliana還證明了該膜可以重復(fù)使用多次（至少10次，但可能更多），而不會(huì)喪失吸收金屬離子的能力。含有PAF的膜經(jīng)調(diào)整能夠輕松地吸收金屬離子，并將其釋放出來(lái)進(jìn)行捕獲和再利用。

Long補(bǔ)充說(shuō)：“這項(xiàng)技術(shù)能夠根據(jù)有害物質(zhì)的類別，對(duì)膜進(jìn)行定制以處理特定類型的水。例如在密歇根州，可能遇到鉛的問(wèn)題，而在孟加拉國(guó)中，又有鐵和砷的問(wèn)題。因此，針對(duì)特定的污染水源使用定制膜，可以真正將有害物質(zhì)降低到常規(guī)檢測(cè)無(wú)法測(cè)量到的水平。”

作者：Robert Sanders

翻譯：曾欣欣

審校：董子晨曦

引進(jìn)來(lái)源：加利福尼亞大學(xué)伯克利分校


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