金属过滤海绵去除水中的铅

西北大学的工程师开发出一种新型海绵，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，研究人员在含有超过百万分之一铅的高度污染的自来水样本上测试了他们的新海绵。一次使用后，过滤后的海绵铅含量低于可检测水平。

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中廉价且易于使用的工具。

该研究于5月10日发表在ACSES&TWater杂志上。该论文概述了新的研究并设定了优化类似平台的设计规则，用于去除和回收其他重金属毒素，包括镉、砷、钴和铬。

“供水中重金属的存在对全球来说是一个巨大的公共卫生挑战，”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教授亚伯拉罕哈里斯教授VinayakDravid说。国际纳米技术研究所的全球倡议。“这是一个千兆级的问题，需要可以轻松、有效且廉价地部署的解决方案。这就是我们的海绵的用武之地。它可以去除污染，然后一次又一次地使用。”

吸收溢出物

该项目建立在Dravid之前为环境修复的各个方面开发高度多孔海绵的工作之上。2020年5月，他的团队推出了一种旨在清理漏油的新型海绵。这种纳米颗粒涂层海绵目前正由西北分拆公司MFNSTech商业化，它提供了一种更高效、更经济、更环保和可重复使用的替代方法，可替代目前的漏油处理方法。

但德拉维德知道这还不够。

“当发生漏油时，你可以将油清除，”他说。“但这些泄漏物中也含有有毒的重金属——如汞、镉、硫和铅。因此，即使你去除了油，其他一些毒素也可能残留。”

冲洗并重复

为了解决这一方面的问题，Dravid的团队再次转向涂有超薄纳米粒子层的海绵。在测试了许多不同类型的纳米粒子后，该团队发现锰掺杂的针铁矿涂层效果最好。锰掺杂针铁矿纳米粒子不仅制造成本低廉、易于获取且对人体无毒，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，这样铅离子就有更多的空间粘附在它上面，”博士本杰明辛德尔说。Dravid实验室的学生和论文的第一作者。“这些纳米粒子具有高表面积和丰富的吸附活性表面位点，并且稳定，因此可以多次重复使用。”

该团队合成了锰掺杂针铁矿纳米粒子浆料，以及其他几种纳米粒子组合物，并用这些浆料涂覆了市售的纤维素海绵。然后，他们用水冲洗涂有涂层的海绵，以洗掉任何松散的颗粒。最终涂层的厚度仅为几十纳米。

当浸入受污染的水中时，涂有纳米颗粒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五。在过滤试验中，海绵将铅含量降低到大约十亿分之二，可以安全饮用。

“我们对此非常满意，”辛德尔说。“当然，这种性能会因多种因素而异。例如，如果你在少量水中有一块大海绵，它的性能会比在大湖中的小海绵更好。”

恢复绕过挖矿

从那里开始，团队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好再次使用。虽然海绵的性能在第一次使用后有所下降，但在随后的使用周期中仍能恢复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(例如钴)特别有价值。作为锂离子电池中的一种常见成分，钴的开采成本高昂，并且伴随着一系列环境和人力成本。

如果研究人员能够开发出一种海绵，可以选择性地去除水中的稀有金属(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供越来越多的电池使用。我们必须想办法从非常稀的溶液中回收金属。否则，它变得有毒有毒，只是坐在水中。我们还不如制造一些有价值的东西。”

标准化规模

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且无毒的纳米粒子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、铝和锌的氧化物涂层对铅吸附的性能。然后，他们建立了这些纳米粒子的结构与其吸附特性之间的关系。

称为重金属纳米材料海绵涂层(或“Nano-SCHeMe”)的环境修复平台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层和吸附剂的文献，”Dravid实验室的本科生和论文合著者CarolineHarms说。“该领域确实缺乏标准化。通过分析不同类型的纳米粒子，我们开发了一个实际适用于所有纳米粒子的比较尺度。它可能对推动该领域的发展产生很多影响。”

Dravid和他的团队想象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它，它可以产生真正的影响。”