麻省理工学院的卡罗琳·布莱斯 描述:用于去除微污染物的填充床中载有胶束的水凝胶颗粒示意图
鸣谢:道尔实验室 想象一下，数百万块人体细胞大小的肥皂海绵可以通过吸收污染物来净化水
这个简单的模型被用来描述麻省理工学院的化学工程师最近开发的从水中去除微污染物的技术，这是一个令人关注的世界性问题
帕特里克·S
罗伯特·多伊尔
哈斯拉姆化学工程教授，博士
D
学生德瓦希什·普拉塔普·戈哈尔和本科生陈琦烨最近在《美国化学学会应用高分子材料》杂志上发表了他们关于去除微污染物的研究
这项工作由麻省理工学院的阿卜杜勒·拉蒂夫·贾米尔水和食物系统实验室(J-WAFS)资助
尽管它们的浓度低(约0
01–100微克/升)，微污染物可能对生态系统和人类健康有害
Gokhale说，它们有多种来源，几乎在所有水体中都可以检测到
例如，通过人和动物的药物最终会成为水源中的微污染物
其他物质，如内分泌干扰物双酚A (BPA)，可以在工业生产过程中从塑料中滤出
杀虫剂、染料、石化产品、全氟和多氟烷基物质，通常被称为PFAS，也是微污染物的例子，一些重金属如铅和砷也是如此
这些只是微污染物的一部分，随着时间的推移，所有这些微污染物对人类和动物都是有毒的，可能会导致癌症、器官损伤、发育缺陷或其他不利影响
微污染物数量众多，但由于它们的总质量很小，很难从水中去除
目前，从水中去除微污染物最常用的方法是活性炭吸附
在这个过程中，水通过一个碳过滤器，只能去除30%的微污染物
活性炭需要高温来生产和再生，需要专门的设备并消耗大量的能量
反渗透也可用于去除水中的微污染物；然而，“这并不能很好地消除这类分子，因为它们的浓度和分子结构，”道尔解释说
受肥皂启发 当设计如何从水中去除微污染物的解决方案时，麻省理工学院的研究人员受到了一种常见的家庭清洁用品——肥皂的启发
肥皂可以清洁一切东西，从我们的手和身体到脏盘子到衣服，所以也许肥皂的化学性质也可以用于消毒水
肥皂含有被称为表面活性剂的分子，这种分子既有疏水性(憎水)又有亲水性(亲水性)
当水与肥皂接触时，表面活性剂的疏水部分粘在一起，组装成称为胶束的球形结构，分子的疏水部分在内部
疏水胶束核心捕获并帮助带走像污垢这样的油性物质
道尔的实验室合成了充满胶束的水凝胶颗粒，从根本上净化了水
Gokhale解释说，他们使用微流体“在非常小的微米级上处理流体”,以连续和可重复地产生均匀的聚合水凝胶颗粒
这些水凝胶是多孔的和吸收性的，包含表面活性剂、光引发剂(产生活性物质的分子)和称为PEGDA的交联剂
表面活性剂组装成胶束，通过紫外光与水凝胶化学键合
当水流过这种微粒系统时，微污染物会附着在胶束上并从水中分离出来
系统中使用的物理相互作用强到足以从水中去除微污染物，但又弱到足以使水凝胶颗粒从微污染物中分离出来，重新稳定化并重新使用
实验室测试表明，当掺入水凝胶中的表面活性剂的量增加时，污染物去除的速度和程度都增加
“我们已经证明，就拔出率而言，当你将其扩大到工业用途时，这才是真正重要的，用我们最初的格式，我们已经可以胜过活性炭，”道尔说
“我们实际上可以在室温下非常容易地再生这些粒子
近10次再生循环，性能变化极小，”他补充道
Gokhale说，颗粒的再生是通过将胶束浸泡在90%的乙醇中来实现的，这样“所有的污染物都会从颗粒中出来并回到乙醇中”
乙醇在低浓度下是生物安全的，廉价且可燃，允许安全且经济可行的处置
水凝胶颗粒的回收利用使这项技术可持续发展，这是比活性炭更大的优势
水凝胶还可以适应任何疏水性的微污染物，使该系统成为一种新颖、灵活的水净化方法
按比例放大 该小组在实验室中使用2-萘酚进行了实验，2-萘酚是一种微污染物，是一种令人担忧的有机污染物，已知很难通过传统的水过滤方法去除
他们希望继续用真实的水样进行测试
“现在，我们将一种微量污染物加入纯净的实验室水中
道尔说:“我们希望从自然环境中获取水样，这样我们就可以通过实验来研究和观察。”
通过使用微流体技术来增加粒子产量，道尔和他的实验室希望制造家庭规模的过滤器，用真实的废水进行测试
然后，他们预计扩大到城市水处理，甚至工业废水处理
该实验室最近为他们使用固定胶束的水凝胶技术申请了国际专利
他们计划通过实验不同种类的水凝胶来去除水中的重金属污染物，如铅，从而继续这项工作
社会影响 这项研究由目前正在进行的2019年J-WAFS种子基金资助，有可能提高世界各地净水系统的速度、精度、效率和环境可持续性
“我一直想做一些对社会有影响的工作，我也一直对水感兴趣，因为我觉得它真的很酷，”Gokhale说
他指出，“水是如何适应不同领域的，这真的很有趣……我们必须考虑人们的文化，我们将如何利用它，然后只是这些水过程的公平性
“Gokhale来自印度，他说他见过几乎没有水的地方，也见过年年都有洪水的地方
“有很多有趣的工作要做，我认为这一领域的工作将在未来几年真正影响很多人的生活，”Gokhale说
道尔补充说，“水是最重要的东西，也许在未来几十年都是如此，所以致力于对整个世界如此重要的事情是非常令人满足的
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