基于自然的过滤材料可以去除水中持久的化学物质

当今技术中使用的化学物质对水的污染是一个全球范围内迅速增长的问题。美国疾病控制中心最近的一项研究发现，98%的受试者血液中可检测到PFAS，这是一种特别持久的化合物家族，也被称为永久性化学物质

麻省理工学院的研究人员开发的一种新的过滤材料可能会为这种顽固的污染问题提供一种基于自然的解决方案。这种基于天然丝绸和纤维素的材料可以去除各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

这一发现发表在《ACS Nano》杂志上，由麻省理工学院博士后、土木与环境工程教授Benedetto Marelli和其他四位麻省理工大学的研究人员撰写

PFAS化学品存在于各种产品中，包括化妆品、食品包装、防水服、消防泡沫和炊具的防粘涂层。最近的一项研究发现，仅在美国就有57000个地点受到这些化学物质的污染。美国环境保护局估计，PFAS修复每年将花费15亿美元，以满足要求将该化合物在饮用水中的含量限制在万亿分之七以下的新规定

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个问题”。“这就是为什么我们提出了这种基于蛋白质和纤维素的全天然解决方案，”他说

“我们偶然来到这个项目，”Marelli指出。使过滤材料成为可能的最初技术是由他的团队开发的，目的完全无关——作为一种制造标签系统的方法，以对抗假冒种子的传播，这些种子通常质量较差。他的团队设计了一种在室温下通过环境友好的水基滴铸法将丝蛋白加工成均匀的纳米级晶体或“纳米纤维”的方法

张建议，他们的新纳米纤维材料可能能有效过滤污染物，但仅使用丝纳米纤维的初步尝试并不奏效。该团队决定尝试添加另一种材料：纤维素，这种材料非常丰富，可以从农业木浆废料中获得

研究人员使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，形成了具有独特新特性的杂化材料的基础

通过将纤维素整合到可以形成薄膜的丝绸基原纤维中，然后调节纤维素的电荷，研究人员生产了一种在实验室测试中高效去除污染物的材料

他们发现，纤维素的电荷也赋予了它很强的抗菌性能。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能大大减少污垢问题

Marelli说：“在提取金属离子和这些新兴污染物方面，这些材料在水过滤方面确实可以与目前的标准材料竞争，而且它们目前也可以超越其中一些材料。”。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说，虽然这项新工作是原理证明，但该团队计划继续改进材料，特别是在原材料的耐用性和可用性方面。虽然所使用的丝蛋白可以作为丝绸纺织业的副产品获得，但如果这种材料要扩大规模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以较低的成本发挥相同的功能

张说，最初，这种材料可能会被用作使用点过滤器，可以连接到厨房水龙头上。最终，它可以扩大规模，为市政供水提供过滤，但只有在测试表明这不会给供水带来任何污染的风险之后。然而，他说，这种材料的一大优势是，丝绸和纤维素成分都被认为是食品级物质，因此不太可能受到污染

张说：“目前可用的大多数普通材料都专注于一类污染物或解决单一问题。”。“我认为我们是第一批同时解决所有这些问题的人。”

研究团队包括麻省理工学院博士后孙辉和孟丽、研究生Maxwell Kalinowski和最近毕业的曹云腾博士，他现在是耶鲁大学的博士后 More information: Yilin Zhang et al, Directed Assembly of Proteinaceous–Polysaccharide Nanofibrils to Fabricate Membranes for Emerging Contaminant Remediation, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c07409

Journal information: ACS Nano