作者罗伯特·桑德斯，加州大学伯克利分校 一种结合了PAF纳米粒子的柔性聚合物膜在脱盐过程中选择性地吸收近100%的金属，如汞、铜或铁，更有效地生产清洁、安全的水
信用:加州大学伯克利分校照片由亚当·乌利亚娜提供 加州大学伯克利分校的化学家发现了一种简化有毒金属去除的方法
比如汞和硼
在脱盐过程中产生干净的水，同时潜在地捕获有价值的金属，例如金
脱盐——去除盐分——只是从海洋或废水中生产饮用水或农业或工业用水过程中的一步
在除盐之前或之后，通常必须对水进行处理，以去除对植物有毒的硼，以及对人类有毒的砷和汞等重金属
通常，这个过程会留下有毒的盐水，很难处理
这项新技术可以很容易地添加到目前的膜电渗析脱盐过程中，去除了近100%的这些有毒金属，产生了纯盐水和纯水，并分离出有价值的金属供以后使用或处理
“海水淡化或水处理厂通常需要一系列高成本的预处理和后处理系统，所有的水都必须一个接一个地通过，”加州大学伯克利分校的研究生亚当·乌利亚纳说，他是描述这项技术的论文的第一作者
“但在这里，我们有能力一次性完成其中的几个步骤，这是一个更高效的过程
基本上，您可以在现有的设置中实现它
" 加州大学伯克利分校的化学家合成了柔性聚合物膜，就像目前膜分离过程中使用的那些膜一样，但是嵌入了纳米粒子，可以被调整以吸收特定的金属离子，例如金或铀离子
如果要回收金属，该膜可以结合单一类型的调节纳米粒子，或者结合几种不同类型的调节纳米粒子，如果需要在一个步骤中去除多种污染物，则每种调节纳米粒子吸收不同的金属或离子化合物
掺有纳米粒子的聚合物膜在水中和高温下非常稳定，而许多其他类型的吸收剂(包括大多数金属有机框架)嵌入膜中时就不是这样了
研究人员希望能够调整纳米粒子以去除其他类型的有毒化学物质，包括常见的地下水污染物:塑料中发现的全氟辛烷磺酸或多氟烷基物质
他们称之为离子捕获电渗析的新方法也有可能从核电站流出物中去除放射性同位素
嵌入纳米粒子的聚合物膜可选择性去除离子化合物(上图)，用于电渗析(下图)，不仅可去除盐，还可去除金属，其中许多金属是有毒的，可产生纯净的清洁水和更容易处理的无毒盐水
这些膜(绿色和红色)可以冲洗并重复使用多次，而有价值的金属可能被回收
信用:加州大学伯克利分校照片由亚当·乌利亚娜提供 在他们将于本周发表在《科学》杂志上的研究中，乌利亚娜和加州大学伯克利分校化学教授、资深作者杰弗里·龙(Jeffrey Long)证明，当聚合物膜被纳入基于膜的电渗析系统和扩散透析(主要用于化学处理)时，它们是非常有效的。电渗析系统中的电压驱动离子穿过膜以去除盐和金属
龙说:“电渗析是一种众所周知的脱盐方法，我们现在采用的方法是将这些新颗粒结合到膜材料中，并捕获目标有毒离子或中性溶质，如硼。”
“所以，当你驱动离子穿过这层膜时，你也在净化水中的汞
但是这些膜对于高容量去除其他金属如铜和铁也具有很高的选择性
" 全球水资源短缺需要废水再利用 水资源短缺在世界各地变得越来越普遍，包括在加利福尼亚和美国西部，气候变化和人口增长加剧了这种情况
沿海社区越来越多地安装淡化海水的工厂，但内陆社区也在寻找方法，将受污染的水源——地下水、农业径流和工业废物——转化为农作物、家庭和工厂使用的清洁、安全的水
虽然反渗透和电渗析在去除高盐度水源(如海水)中的盐方面效果很好，但留下的浓盐水可能含有高含量的金属，包括镉、铬、汞、铅、铜、锌、金和铀
但是海洋正日益受到工业和农业径流的污染，内陆污染源更是如此
龙说:“这对于那些污染物含量较低的地区尤其有用，这些地区的污染物含量仍然很低，而且不同的废水处理场的溪流中含有大量有毒离子。”
离子捕获电渗析可用于同时淡化水和捕获目标污染物
信用:亚当乌利亚纳 大多数脱盐过程使用反渗透膜(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，但不允许水通过)来去除盐——盐在水中主要以钠离子和氯离子的形式存在
这项新技术只是增加了多孔纳米粒子，每个直径约200纳米，可以捕捉特定的离子，同时允许钠、氯和其他非目标带电分子通过
龙设计并研究多孔材料，这些材料可以用独特的分子来装饰，这些分子可以从液体或气体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被称为多孔芳香框架(PAF)，这是由多个环形分子组成的化合物连接的三维碳原子网络——化学基团被称为芳香化合物
内部结构与钻石的结构有关，但碳原子之间的连接被芳香连接物延长，从而产生大量内部空间
各种分子可以附着在芳香接头上以捕获特定的化学物质
例如，为了捕获汞，附着了一种叫做硫醇的硫化合物，这种化合物可以紧紧地束缚汞
添加的甲基化硫基团能够捕获铜，而含有氧和硫的基团能够捕获铁
改变后的纳米粒子约占膜重量的20%，但由于它们非常多孔，约占体积的45%
计算表明，在要求膜再生之前，一公斤的聚合物膜可以从含有百万分之五(ppm)金属的35，000升水中基本上去除所有的汞
乌里安娜在他的实验中表明，硼酸，一种对作物有毒的硼化合物，可以通过这些膜去除，尽管扩散透析依赖于浓度梯度来驱动化学物质(不是离子的，像金属一样)通过膜被PAF纳米粒子捕获
“我们尝试了不同类型的高盐度水——例如，地下水、工业废水和微咸水——这种方法对每一种都有效，”他说
“对于不同的水源似乎是通用的；这是我们想在这里面加入的设计原则之一
" 尤利亚纳还证明了这种膜可以重复使用多次——至少10次，但很可能更多——而不会失去吸收离子金属的能力
并且含有被调节以吸收金属的聚酰亚胺的膜容易释放其被吸收的金属用于捕获和再利用
“这是一项技术，根据你的有毒杂质是什么，你可以定制膜来处理这种类型的水，”龙补充说
“你可能会遇到铅的问题，比如在密歇根州，或者在孟加拉国的铁和砷的问题
所以，你瞄准特定污染水源的膜
这些材料真的把它降低到不可估量的程度
"
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