基于自然的过滤材料可以去除水中的持久化学物质

当今科技中使用的化学物质对水的污染已成为全球范围内日益严重的问题。美国疾病控制中心最近的一项研究发现，98% 的受试者血液中检测到了 PFAS 水平，PFAS 是一类特别持久的化合物，也被称为永久化学物质。

麻省理工学院的研究人员开发了一种新型过滤材料，或许可以为这一顽固的污染问题提供基于自然的解决方案。这种材料以天然丝和纤维素为基础，可以去除多种持久性化学物质以及重金属。而且，它的抗菌特性可以帮助防止过滤器结垢。

该研究成果发表在《ACS Nano》杂志上，由麻省理工学院博士后张一林、土木与环境工程教授贝内代托·马雷利和其他四位麻省理工学院的研究人员撰写。

PFAS 化学物质存在于各种产品中，包括化妆品、食品包装、防水服装、消防泡沫和炊具防粘涂层。最近的一项研究发现，仅在美国就有 57,000 处地点受到这些化学物质的污染。美国环境保护署估计，为了满足新法规要求将 PFAS 限制在饮用水中低于 7 ppb 的水平，PFAS 修复每年将花费 15 亿美元。

张说，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非常有效或经济地部分解决这一问题”。“这就是为什么我们想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。

“我们偶然参与了这个项目，”马雷利说。他的团队最初开发了过滤材料技术，但目的却完全不同——制作标签系统来阻止假冒种子的传播，而假冒种子往往质量较差。他的团队发明了一种在室温下通过环保的水基滴铸法将丝蛋白加工成均匀的纳米级晶体或“纳米原纤维”的方法。

张教授表示，他们的新纳米纤维材料可能能够有效过滤污染物，但最初仅使用蚕丝纳米纤维的尝试并没有奏效。该团队决定尝试添加另一种材料：纤维素，这种材料储量丰富，可以从农业木浆废料中获得。

研究人员采用了一种自组装方法，将丝素蛋白悬浮在水中，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。这使得之前无序的丝分子沿着种子排列在一起，形成具有独特新特性的混合材料的基础。

通过将纤维素整合到可形成薄膜的丝基原纤维中，然后调整纤维素的电荷，研究人员制作出了一种在实验室测试中能有效去除污染物的材料。

他们发现，纤维素的电荷还使其具有很强的抗菌性能。这是一个显著的优势，因为过滤膜失效的主要原因之一是细菌和真菌的污染。研究人员表示，这种材料的抗菌性能应该可以大大减少污染问题。

“在提取金属离??子和这些新兴污染物方面，这些材料确实可以与水过滤领域的现有标准材料相媲美，而且它们目前的表现甚至优于其中一些材料，”Marelli 说道。在实验室测试中，这些材料能够从水中提取比目前使用的标准材料（活性炭或颗粒活性炭）多几个数量级的污染物。

Marelli 表示，虽然这项新研究只是一种原理验证，但该团队计划继续改进这种材料，特别是在耐用性和原材料可用性方面。虽然所用的丝蛋白可以作为丝绸纺织业的副产品，但如果要扩大这种材料的产量以满足全球对水过滤的需求，供应可能会不足。此外，替代蛋白质材料可能会以更低的成本发挥同样的功能。

张教授表示，最初，这种材料可能被用作即用型过滤器，可以安装在厨房水龙头上。最终，它可以扩大规模，为市政供水提供过滤，但前提是测试证明这不会给供水带来任何污染风险。不过，他说，这种材料的一大优势是，蚕丝和纤维素成分都被认为是食品级物质，因此不太可能出现任何污染。

“目前大多数常规材料都只针对一类污染物或解决单一问题，”张说。“我认为我们是第一批同时解决所有这些问题的人之一。”