突破性过滤技术问世，可清除水中多种持久性污染物

（来源：MIT News）

当今技术中使用的化学物质导致的水污染正在全球范围内迅速成为一个日益严重的问题。美国疾病控制与预防中心最近的一项研究发现，98% 接受检测的人体内都有可检测的 PFAS，这是一类特别持久的化合物，也被称为“永久化学物质”。

MIT 的研究人员开发出一种新的过滤材料，可能为这一顽固的污染问题提供一种基于自然材料的解决方案。这种材料基于天然丝和纤维素，能够去除各种持久性化学物质以及重金属。而且，其抗菌特性有助于防止过滤器被污染。

相关研究成果被发表在《ACS Nano》期刊上，由 MIT 博士后 Yilin Zhang、土木与环境工程教授 Benedetto Marelli 以及 MIT 的其他四名研究人员撰写。

PFAS 化学物质广泛存在于各种产品中，包括化妆品、食品包装、防水衣物、消防泡沫和不粘锅涂层。最近的一项研究仅在美国就发现了 5.7 万个被这些化学物质污染的地点。美国环境保护署估计，PFAS 修复每年将花费 15 亿美元，以满足新的法规要求，这些法规规定饮用水中该化合物的含量必须低于每万亿分之七。

“PFAS 和类似化合物的污染实际上是一个非常大的问题，目前的解决方案可能只能部分有效地或经济地解决这个问题。”Zhang 表示，“这就是为什么我们提出了这种基于蛋白质和纤维素的、完全天然的解决方案。”他说。

Marelli 指出，“我们偶然进入了这个项目。”使这种过滤材料成为可能的最初技术是由他的团队开发的，但最初完全是为了一个不相关的目的 —— 为了设计一个标签系统，以应对劣质假冒种子的泛滥。他的团队设计了一种方法，通过环境友好的、水基滴铸法在室温下将丝蛋白加工成均匀的纳米晶体或“纳米纤维”。

Zhang 建议他们的新型纳米纤维材料可能在过滤污染物方面有效，但最初单独使用丝纳米纤维的尝试并未成功。团队决定尝试添加另一种材料：纤维素，这是一种丰富的资源，可以从农业木浆废料中获得。研究人员使用了一种自组装方法，将丝蛋白悬浮在水中，然后通过插入纤维素纳米晶体的“种子”将其模板化为纳米纤维。这使先前无序的丝分子沿着这些种子排列在一起，形成具有独特新特性的混合材料。

通过将纤维素集成到可以形成薄膜的丝基纤维中，并调节纤维素的电荷，研究人员在实验室测试中生产出了一种在去除污染物方面非常有效的材料。

来源：MIT News

如上图所示，左侧的纳米级图像显示过滤器厚度只有 500 纳米，两张照片显示了圆形过滤器也是柔性的。

他们发现，纤维素的电荷也赋予了它很强的抗菌特性。这是一个重要的优势，因为过滤膜失效的主要原因之一是被细菌和真菌污染。研究人员表示，这种材料的抗菌特性应该能够大大减少这种污染问题。

“这些材料在水过滤中提取金属离子和这些新兴污染物方面，确实可以与当前的标准材料竞争，甚至在某些方面超越它们。”Marelli 说。在实验室测试中，这些材料能够比当前使用的标准材料、活性炭或颗粒状活性炭从水中提取出数量级更多的污染物。

虽然这项新工作只是一个概念验证，Marelli 说，团队计划继续致力于改进该材料，特别是在耐用性和原材料的可获得性方面。虽然使用的丝蛋白可以作为丝纺织业的副产品获得，但如果要将这种材料规模化以满足全球水过滤的需求，供应可能不足。此外，其他蛋白质材料可能会以更低的成本实现相同的功能。

Zhang 说，最初这种材料可能会用作点式过滤器，可以安装在厨房水龙头上。最终，它可能会规模化，以提供市政供水的过滤功能，但只有在测试证明这不会对水源造成污染风险后才能实现。但他指出，这种材料的一个巨大优势是，丝和纤维素成分都被认为是食品级物质，因此不太可能造成污染。

“目前市面上大多数的常规材料都集中在一种污染物或解决单一问题。”Zhang 说，“我认为我们是第一批同时解决所有这些问题的人之一。”

“我喜欢这种方法，因为它只使用天然生长的材料，比如丝和纤维素来对抗污染。”威廉与玛丽学院应用科学教授 Hannes Schniepp 说，他没有参与这项工作。“在其他竞争性方法中，使用的是合成材料，这通常只需要更多的化学品来对抗化学产生的一些不良后果。（这项工作）打破了这个循环！如果这种材料能够以经济上可行的方式大规模生产，它真的可能产生重大影响。”

研究团队还包括 MIT 的博士后 Hui Sun 和 Meng Li、研究生 Maxwell Kalinowski 以及 2022 年博士毕业的 Yunteng Cao（现为耶鲁大学博士后）。这项工作得到了美国海军研究办公室、美国国家科学基金会和新加坡-麻省理工学院科研与技术联盟的支持。

https://news.mit.edu/2024/new-filtration-material-could-remove-long-lasting-water-chemicals-0906