當(dāng)今技術(shù)中使用的化學(xué)物質(zhì)導(dǎo)致的水污染正在全球范圍內(nèi)迅速成為一個(gè)日益嚴(yán)重的問(wèn)題。美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心最近的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，98%接受檢測(cè)的人體內(nèi)都有可檢測(cè)的PFAS，這是一類特別持久的化合物，也被稱為“永久化學(xué)物質(zhì)”。
MIT的研究人員開(kāi)發(fā)出一種新的過(guò)濾材料，可能為這一頑固的污染問(wèn)題提供一種基于自然材料的解決方案。這種材料基于天然絲和纖維素，能夠去除各種持久性化學(xué)物質(zhì)以及重金屬。而且，其抗菌特性有助于防止過(guò)濾器被污染。
相關(guān)研究成果被發(fā)表在《ACSNano》期刊上，由MIT博士后YilinZhang、土木與環(huán)境工程教授BenedettoMarelli以及MIT的其他四名研究人員撰寫。
PFAS化學(xué)物質(zhì)廣泛存在于各種產(chǎn)品中，包括化妝品、食品包裝、防水衣物、消防泡沫和不粘鍋涂層。最近的一項(xiàng)研究?jī)H在美國(guó)就發(fā)現(xiàn)了5.7萬(wàn)個(gè)被這些化學(xué)物質(zhì)污染的地點(diǎn)。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署估計(jì)，PFAS修復(fù)每年將花費(fèi)15億美元，以滿足新的法規(guī)要求，這些法規(guī)規(guī)定飲用水中該化合物的含量必須低于每萬(wàn)億分之七。
“PFAS和類似化合物的污染實(shí)際上是一個(gè)非常大的問(wèn)題，目前的解決方案可能只能部分有效地或經(jīng)濟(jì)地解決這個(gè)問(wèn)題。”Zhang表示，“這就是為什么我們提出了這種基于蛋白質(zhì)和纖維素的、完全天然的解決方案。”他說(shuō)。
Marelli指出，“我們偶然進(jìn)入了這個(gè)項(xiàng)目。”使這種過(guò)濾材料成為可能的最初技術(shù)是由他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的，但最初完全是為了一個(gè)不相關(guān)的目的——為了設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)簽系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)劣質(zhì)假冒種子的泛濫。他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種方法，通過(guò)環(huán)境友好的、水基滴鑄法在室溫下將絲蛋白加工成均勻的納米晶體或“納米纖維”。
Zhang建議他們的新型納米纖維材料可能在過(guò)濾污染物方面有效，但最初單獨(dú)使用絲納米纖維的嘗試并未成功。團(tuán)隊(duì)決定嘗試添加另一種材料：纖維素，這是一種豐富的資源，可以從農(nóng)業(yè)木漿廢料中獲得。研究人員使用了一種自組裝方法，將絲蛋白懸浮在水中，然后通過(guò)插入纖維素納米晶體的“種子”將其模板化為納米纖維。這使先前無(wú)序的絲分子沿著這些種子排列在一起，形成具有獨(dú)特新特性的混合材料。
通過(guò)將纖維素集成到可以形成薄膜的絲基纖維中，并調(diào)節(jié)纖維素的電荷，研究人員在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中生產(chǎn)出了一種在去除污染物方面非常有效的材料。
如上圖所示，左側(cè)的納米級(jí)圖像顯示過(guò)濾器厚度只有500納米，兩張照片顯示了圓形過(guò)濾器也是柔性的。
他們發(fā)現(xiàn)，纖維素的電荷也賦予了它很強(qiáng)的抗菌特性。這是一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫^(guò)濾膜失效的主要原因之一是被細(xì)菌和真菌污染。研究人員表示，這種材料的抗菌特性應(yīng)該能夠大大減少這種污染問(wèn)題。
“這些材料在水過(guò)濾中提取金屬離子和這些新興污染物方面，確實(shí)可以與當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)材料競(jìng)爭(zhēng)，甚至在某些方面超越它們。”Marelli說(shuō)。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，這些材料能夠比當(dāng)前使用的標(biāo)準(zhǔn)材料、活性炭或顆粒狀活性炭從水中提取出數(shù)量級(jí)更多的污染物。
雖然這項(xiàng)新工作只是一個(gè)概念驗(yàn)證，Marelli說(shuō)，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)致力于改進(jìn)該材料，特別是在耐用性和原材料的可獲得性方面。雖然使用的絲蛋白可以作為絲紡織業(yè)的副產(chǎn)品獲得，但如果要將這種材料規(guī)模化以滿足全球水過(guò)濾的需求，供應(yīng)可能不足。此外，其他蛋白質(zhì)材料可能會(huì)以更低的成本實(shí)現(xiàn)相同的功能。
Zhang說(shuō)，最初這種材料可能會(huì)用作點(diǎn)式過(guò)濾器，可以安裝在廚房水龍頭上。最終，它可能會(huì)規(guī)模化，以提供市政供水的過(guò)濾功能，但只有在測(cè)試證明這不會(huì)對(duì)水源造成污染風(fēng)險(xiǎn)后才能實(shí)現(xiàn)。但他指出，這種材料的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)是，絲和纖維素成分都被認(rèn)為是食品級(jí)物質(zhì)，因此不太可能造成污染。
“目前市面上大多數(shù)的常規(guī)材料都集中在一種污染物或解決單一問(wèn)題。”Zhang說(shuō)，“我認(rèn)為我們是第一批同時(shí)解決所有這些問(wèn)題的人之一。”
“我喜歡這種方法，因?yàn)樗皇褂锰烊簧L(zhǎng)的材料，比如絲和纖維素來(lái)對(duì)抗污染。”威廉與瑪麗學(xué)院應(yīng)用科學(xué)教授HannesSchniepp說(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)工作。“在其他競(jìng)爭(zhēng)性方法中，使用的是合成材料，這通常只需要更多的化學(xué)品來(lái)對(duì)抗化學(xué)產(chǎn)生的一些不良后果。（這項(xiàng)工作）打破了這個(gè)循環(huán)！如果這種材料能夠以經(jīng)濟(jì)上可行的方式大規(guī)模生產(chǎn)，它真的可能產(chǎn)生重大影響。”
研究團(tuán)隊(duì)還包括MIT的博士后HuiSun和MengLi、研究生MaxwellKalinowski以及2022年博士畢業(yè)的YuntengCao（現(xiàn)為耶魯大學(xué)博士后）。這項(xiàng)工作得到了美國(guó)海軍研究辦公室、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和新加坡-麻省理工學(xué)院科研與技術(shù)聯(lián)盟的支持。
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