當今技術中使用的化學物質導致的水污染正在全球范圍內迅速成為一個日益嚴重的問題。美國疾病控制與預防中心最近的一項研究發(fā)現(xiàn)，98%接受檢測的人體內都有可檢測的PFAS，這是一類特別持久的化合物，也被稱為“永久化學物質”。
MIT的研究人員開發(fā)出一種新的過濾材料，可能為這一頑固的污染問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物質以及重金屬。而且，其抗菌特性有助于防止過濾器被污染。
相關研究成果被發(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化學物質廣泛存在于各種產(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。最近的一項研究僅在美國就發(fā)現(xiàn)了5.7萬個被這些化學物質污染的地點。美國環(huán)境保護署估計，PFAS修復每年將花費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萬億分之七。
“PFAS和類似化合物的污染實際上是一個非常大的問題，目前的解決方案可能只能部分有效地或經(jīng)濟地解決這個問題。”Zhang表示，“這就是為什么我們提出了這種基于蛋白質和纖維素的、完全天然的解決方案。”他說。
Marelli指出，“我們偶然進入了這個項目。”使這種過濾材料成為可能的最初技術是由他的團隊開發(fā)的，但最初完全是為了一個不相關的目的——為了設計一個標簽系統(tǒng)，以應對劣質假冒種子的泛濫。他的團隊設計了一種方法，通過環(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濾污染物方面有效，但最初單獨使用絲納米纖維的嘗試并未成功。團隊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。這使先前無序的絲分子沿著這些種子排列在一起，形成具有獨特新特性的混合材料。
通過將纖維素集成到可以形成薄膜的絲基纖維中，并調節(jié)纖維素的電荷，研究人員在實驗室測試中生產(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，左側的納米級圖像顯示過濾器厚度只有500納米，兩張照片顯示了圓形過濾器也是柔性的。
他們發(fā)現(xiàn)，纖維素的電荷也賦予了它很強的抗菌特性。這是一個重要的優(yōu)勢，因為過濾膜失效的主要原因之一是被細菌和真菌污染。研究人員表示，這種材料的抗菌特性應該能夠大大減少這種污染問題。
“這些材料在水過濾中提取金屬離子和這些新興污染物方面，確實可以與當前的標準材料競爭，甚至在某些方面超越它們。”Marelli說。在實驗室測試中，這些材料能夠比當前使用的標準材料、活性炭或顆粒狀活性炭從水中提取出數(shù)量級更多的污染物。
雖然這項新工作只是一個概念驗證，Marelli說，團隊計劃繼續(xù)致力于改進該材料，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濾的需求，供應可能不足。此外，其他蛋白質材料可能會以更低的成本實現(xiàn)相同的功能。
Zhang說，最初這種材料可能會用作點式過濾器，可以安裝在廚房水龍頭上。最終，它可能會規(guī)模化，以提供市政供水的過濾功能，但只有在測試證明這不會對水源造成污染風險后才能實現(xiàn)。但他指出，這種材料的一個巨大優(yōu)勢是，絲和纖維素成分都被認為是食品級物質，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題。”Zhang說，“我認為我們是第一批同時解決所有這些問題的人之一。”
“我喜歡這種方法，因為它只使用天然生長的材料，比如絲和纖維素來對抗污染。”威廉與瑪麗學院應用科學教授HannesSchniepp說，他沒有參與這項工作。“在其他競爭性方法中，使用的是合成材料，這通常只需要更多的化學品來對抗化學產(chǎn)生的一些不良后果。（這項工作）打破了這個循環(huán)！如果這種材料能夠以經(jīng)濟上可行的方式大規(guī)模生產(chǎn)，它真的可能產(chǎn)生重大影響。”
研究團隊還包括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)為耶魯大學博士后）。這項工作得到了美國海軍研究辦公室、美國國家科學基金會和新加坡-麻省理工學院科研與技術聯(lián)盟的支持。
來源：DeepTech深科技
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