摻有PAF納米顆粒的柔性聚合物膜可在脫鹽過程中，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)了一種簡化方法，可去除像汞和硼這類有毒金屬，在水淡化過程中產(chǎn)生純凈水，同時可捕獲有價值的金屬，例如金。

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

這項新技術(shù)可以輕易地應(yīng)用于當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)過這些系統(tǒng)。”加州大學(xué)伯克利分校研究生，這項技術(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步驟，這是一個更有效的過程?；旧峡梢曰诂F(xiàn)有設(shè)施來施行?！?/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?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)來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)金屬有機骨架（MOFs），在嵌入膜內(nèi)時卻并非如此。

研究人員希望通過對納米粒子進行調(diào)整，可去除其他類型的有毒化學(xué)物質(zhì)，包括常見的地下水污染物：PFAS或在塑料中發(fā)現(xiàn)的多氟烷基物質(zhì)。他們將這項新技術(shù)稱為離子捕獲電滲析工藝，也有可能用來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毒鹽水。膜（綠色和紅色）可以沖洗并重復(fù)使用多次，有價值的金屬則有可能被回收。（圖片來源：Adam Uliana，加州大學(xué)伯克利分校）

這項研究發(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，由于電壓驅(qū)動離子通過膜去除鹽和金屬以及擴散滲析（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，并有目標性地捕獲有毒離子或中性溶質(zhì)，例如硼。因此，驅(qū)動離子穿膜時，也就是在對水進行凈化，比如說去除水中的汞。這些膜對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，水資源短缺在世界各地變得司空見慣，包括在加利福尼亞州和美國西部。沿海社區(qū)建立了越來越多的工廠來淡化海水，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：“這對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景特別有用?！?/p>

離子捕獲電滲析可用于同時淡化水和捕獲目標污染物。 （圖片來源：Adam Uliana）

大多數(shù)脫鹽工藝使用反滲透膜（允許水通過但不允許離子通過）或離子交換聚合物（允許離子通過但不允許水）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，同時允許鈉，氯和其他非靶向帶電分子通過。

Long設(shè)計并研究可以用獨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，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可捕獲銅，而含氧和硫基團可捕獲鐵。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在他的實驗中表明，硼酸（一種對農(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，達到去除的效果，盡管硼酸是依靠濃度梯度造成的擴散滲析驅(qū)動的。

他說：“我們測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)計原則之一。”

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，并將其釋放出來進行捕獲和再利用。

Long補充說：“這項技術(shù)能夠根據(jù)有害物質(zhì)的類別，對膜進行定制以處理特定類型的水。例如在密歇根州，可能遇到鉛的問題，而在孟加拉國中，又有鐵和砷的問題。因此，針對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)檢測無法測量到的水平?！?/p>

作者：Robert Sanders

翻譯：曾欣欣

審校：董子晨曦

引進來源：加利福尼亞大學(xué)伯克利分校


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