掺有PAF纳米颗粒的柔性聚合物膜可在脱盐过程中，选择性吸收近乎100％如汞、铜或铁一类金属，从而更有效地生产清洁、安全的水。 （图片来源：Adam Uliana，加州大学伯克利分校）
加州大学伯克利分校的化学家们发现了一种简化方法，可去除像汞和硼这类有毒金属，在水淡化过程中产生纯净水，同时可捕获有价值的金属，例如金。
从海水或废水生产饮用水，农业、工业用水的过程中，脱盐只是其中一个步骤。在除盐前或后，一般都要对水进行处理以去除对植物有毒的硼和对人有毒的重金属如砷和汞。通常，该过程后会留下难以处理的有毒盐水。
这项新技术可以轻易地应用于当前基于膜的电渗析脱盐工艺中，去除近100％的有毒金属，生产纯盐水和纯净水，并分离出有价值的金属，以备后续使用与处置。
“海水淡化厂或水处理厂通常需要一系列昂贵的前后处理系统，所有水都必须经过这些系统。”加州大学伯克利分校研究生，这项技术论文的第一作者Adam Uliana称，“但是使用新技术，我们有能力一次完成多个步骤，这是一个更有效的过程。基本上可以基于现有设施来施行。”
加州大学伯克利分校的化学家合成了就像目前在膜分离工艺中使用的那种柔性聚合物膜，但嵌入的纳米颗粒可以通过调节来吸收特定的金属离子，例如金或铀离子。如果要回收某种金属，这种膜可以包含单一类型的调谐纳米颗粒。如果需要在一个步骤内除去多种污染物，也可以让膜内包含几种不同类型的纳米颗粒，每种类型的颗粒可以吸收不同的金属或离子化合物。
包裹有纳米颗粒的聚合物膜在水中和高温下非常稳定，但许多其他类型的吸收剂，包括大多数金属有机骨架（MOFs），在嵌入膜内时却并非如此。
研究人员希望通过对纳米粒子进行调整，可去除其他类型的有毒化学物质，包括常见的地下水污染物：PFAS或在塑料中发现的多氟烷基物质。他们将这项新技术称为离子捕获电渗析工艺，也有可能用来去除核电站废水中的放射性同位素。
嵌入纳米颗粒的聚合物膜选择性去除离子化合物（顶部）被用于电渗析（底部），不仅可去除盐，还可以去除金属（很多金属离子都是有毒的），产生纯净水和更易于处置的无毒盐水。膜（绿色和红色）可以冲洗并重复使用多次，有价值的金属则有可能被回收。（图片来源：Adam Uliana，加州大学伯克利分校）
这项研究发表在《科学》（Science）杂志上，Uliana和加州大学伯克利分校资深化学教授Jeffrey Long证明，将聚合物膜应用到基于膜的电渗析系统中时，由于电压驱动离子通过膜去除盐和金属以及扩散渗析（通常用于化学处理），该膜是高效的。
Long称：“电渗析是一种已知的用于淡化海水的方法，在这里，我们采用的方法是将这些新纳米颗粒掺入膜材料中，并有目标性地捕获有毒离子或中性溶质，例如硼。因此，驱动离子穿膜时，也就是在对水进行净化，比如说去除水中的汞。这些膜对于去除其他高浓度的金属（例如铜和铁）也具有很高的选择性。”
全球水资源短缺需要废水回用
由于气候变化和人口增长，水资源短缺在世界各地变得司空见惯，包括在加利福尼亚州和美国西部。沿海社区建立了越来越多的工厂来淡化海水，但内陆社区也在寻找方法，将污染水源（地下水，农业径流和工业废料）转化为洁净、安全的作物、工厂、家庭用水。
尽管反渗透和电渗析可以很好地从海水等高盐度水源中去除盐分，但残留的浓盐水可能仍含有高浓度的金属，包括镉，铬，汞，铅，铜，锌，金和铀。
然而，海洋正日益受到工业和农业径流的污染，而内陆水源则更是如此。
Long说：“这对于那些污染物水平低但仍含有低浓度有毒物质区域，以及在废水流中含有多种有毒离子的不同废水场景特别有用。”
离子捕获电渗析可用于同时淡化水和捕获目标污染物。 （图片来源：Adam Uliana）
大多数脱盐工艺使用反渗透膜（允许水通过但不允许离子通过）或离子交换聚合物（允许离子通过但不允许水）去除盐（主要以钠和氯离子的形式存在于水中）。新技术仅添加了直径约200纳米的多孔纳米粒子，它们捕获特定离子，同时允许钠，氯和其他非靶向带电分子通过。
Long设计并研究可以用独特的分子修饰的多孔材料，这些分子可以从液体或气流中捕获目标化合物：例如，发电厂排放的二氧化碳。这些聚合物膜中使用的纳米粒子称为多孔芳族骨架，即PAF，它是由碳原子组成的三维网络，这些碳原子由多个环状分子（称为芳香族化合物）组成。内部结构与钻石的内部结构有关，但是碳原子之间的连接被芳香族分子链延长，从而得到了更大的内部空间。各种分子可以附着在芳香族的分子链上以捕获特定的化学物质。
例如，为了捕获汞，可以使用被称为硫醇的硫化合物，硫醇能与汞紧密结合。添加甲基化的硫基团可捕获铜，而含氧和硫基团可捕获铁。改性后的纳米颗粒约占膜重量的20％，但由于它们非常多孔，约占膜体积的45％。
计算表明，再生该膜之前，一公斤的聚合物膜可去除35000升水中所有的汞（5 ppm）。
Uliana在他的实验中表明，硼酸（一种对农作物有毒的硼化合物，而非金属离子）可以被膜上的PAF纳米颗粒捕获，达到去除的效果，尽管硼酸是依靠浓度梯度造成的扩散渗析驱动的。
他说：“我们测试了不同类型的高盐度水，例如地下水，工业废水以及微咸水，该方法在每一种情况都适用。它似乎适用于不同的水源，这是我们希望的设计原则之一。”
Uliana还证明了该膜可以重复使用多次（至少10次，但可能更多），而不会丧失吸收金属离子的能力。含有PAF的膜经调整能够轻松地吸收金属离子，并将其释放出来进行捕获和再利用。
Long补充说：“这项技术能够根据有害物质的类别，对膜进行定制以处理特定类型的水。例如在密歇根州，可能遇到铅的问题，而在孟加拉国中，又有铁和砷的问题。因此，针对特定的污染水源使用定制膜，可以真正将有害物质降低到常规检测无法测量到的水平。”
作者：Robert Sanders
翻译：曾欣欣
审校：董子晨曦
引进来源：加利福尼亚大学伯克利分校
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