金属过滤海绵去除水中的铅

西北大学的工程师开发了一种新型海绵，可以从受污染的水中去除金属，包括铅等有毒重金属和钴等关键金属，留下安全的饮用水。

在概念验证实验中，研究人员在高度污染的自来水样本上测试了他们的新海绵，含有超过百万分之一的铅。使用一次，过滤后的海绵将铅降至可检测水平以下。

使用海绵后，研究人员还能够成功回收金属并将海绵重复使用多个循环。这种新型海绵有望在未来用作家用滤水器或大规模环境修复工作的廉价、易于使用的工具。

该研究于10月<>日发表在ACS ES&T Water杂志上。该论文概述了这项新研究，并为优化去除和回收其他重金属毒素(包括镉、砷、钴和铬)的类似平台制定了设计规则。

“供水中重金属的存在对整个全球来说都是一个巨大的公共卫生挑战，”西北大学的Vinayak Dravid说，他是该研究的资深作者，西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程的亚伯拉罕哈里斯教授，也是国际纳米技术研究所全球倡议的主任。“这是一个千兆吨级的问题，需要可以轻松、有效和廉价地部署的解决方案。这就是我们的海绵的用武之地。它可以消除污染，然后一次又一次地使用。

吸收溢出物

该项目建立在Dravid之前的工作基础上，为环境修复的各个方面开发高度多孔的海绵。2020 年 <> 月，他的团队推出了一种旨在清理漏油的新型海绵。纳米颗粒涂层海绵现在正由西北大学衍生公司MFNS Tech商业化，为目前的漏油方法提供了一种更高效，经济，环保和可重复使用的替代方案。

但德拉维德知道这还不够。

“当发生漏油时，你可以清除油，”他说。“但这些泄漏中也有有毒的重金属 - 如汞，镉，硫和铅。所以，即使你去除了油，其他一些毒素也可能仍然存在。

冲洗并重复

为了解决这个问题，Dravid的团队再次转向涂有超薄纳米颗粒层的海绵。在测试了许多不同类型的纳米颗粒后，研究小组发现锰掺杂针铁矿涂层效果最好。掺杂锰针铁矿纳米颗粒不仅制造成本低廉，易于获得且对人体无毒，而且还具有选择性修复重金属所需的特性。

“你想要一种具有高表面积的材料，所以铅离子有更多的空间粘在上面，”Dravid实验室的博士生，该论文的第一作者Benjamin Shindel说。“这些纳米颗粒具有高表面积和丰富的吸附反应性表面位点，并且是稳定的，因此它们可以多次重复使用。

该团队合成了掺杂锰针铁矿纳米颗粒的浆料，以及其他几种纳米颗粒组成，并用这些浆料涂覆市售纤维素海绵。然后，他们用水冲洗涂层海绵，以洗去任何松散的颗粒。最终涂层的厚度仅为数十纳米。

当浸入受污染的水中时，纳米颗粒涂层的海绵有效地隔离了铅离子。美国食品和药物管理局要求瓶装饮用水的铅含量低于十亿分之5。在过滤试验中，海绵将铅含量降低到十亿分之二左右，使其可以安全饮用。

“我们对此感到非常满意，”辛德尔说。“当然，这种表现可能会因几个因素而异。例如，如果你在很小的水量里放一块大海绵，它会比大湖中的小海绵表现得更好。

回收绕过挖矿

从那里，研究小组用温和酸化的水冲洗海绵，辛德尔将其比作“具有与柠檬水相同的酸度”。酸性溶液使海绵释放铅离子并准备再次使用。尽管海绵的性能在首次使用后有所下降，但在随后的使用周期中仍回收了90%以上的离子。

这种收集和回收重金属的能力对于从水源中去除稀有的关键金属(如钴)特别有价值。钴是锂离子电池中的常见成分，开采起来能源昂贵，并伴随着环境和人力成本的清单。

如果研究人员能够开发出一种海绵，选择性地从水中去除稀有金属，包括钴，那么这些金属就可以回收到电池等产品中。

“对于可再生能源技术，如电池和燃料电池，需要金属回收，”德拉维德说。“否则，世界上没有足够的钴来容纳越来越多的电池。我们必须找到从非常稀的溶液中回收金属的方法。否则，它就会变得有毒和有毒，只是坐在水中。我们不妨用它做一些有价值的东西。

标准化秤

作为研究的一部分，Dravid和他的团队制定了新的设计规则，以帮助其他人开发针对特定金属(包括钴)的工具。具体来说，他们确定了哪些低成本和无毒的纳米颗粒也具有高表面积和粘附金属离子的亲和力。他们研究了锰、铁、铝和锌氧化物涂层对铅吸附的性能。然后，他们建立了这些纳米颗粒的结构与其吸附特性之间的关系。

环境修复平台被称为重金属纳米材料海绵涂层(或“Nano-SCHeMe”)，可以帮助其他研究人员区分哪些纳米材料最适合特定应用。

“我读过很多比较不同涂料和吸附剂的文献，”Dravid实验室的本科生、论文合著者Caroline Harms说。“该领域确实缺乏标准化。通过分析不同类型的纳米颗粒，我们开发了一个实际上适用于所有纳米颗粒的比较量表。这可能会对推动该领域向前发展产生很多影响。

Dravid和他的团队设想，他们的海绵可以用于商业滤水器，用于环境清理或作为水回收和处理设施的附加步骤。

“这项工作可能与当地和全球的水质问题有关，”辛德尔说。“我们希望在世界上看到这一点，在那里它可以产生真正的影响。