当今技术中使用的化学品造成的水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%的人在血液中检测到PFAS，这是一种特别持久的化合物，也被称为永久化学物质。
麻省理工学院的研究人员开发的一种新的过滤材料可能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污垢。
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·马瑞利以及麻省理工学院的另外四人在《ACS纳米》杂志上发表了一篇论文，描述了这些发现。
PFAS化学物质广泛存在于各种产品中，包括化妆品、食品包装、防水服装、消防泡沫和炊具的防粘涂层。最近的一项研究发现，仅在美国就有57,000个地点受到这些化学物质的污染。美国环境保护署(U.S. Environmental Protection Agency)估计，为了满足将PFAS在饮用水中的含量限制在万亿分之七以下的新规定，PFAS的修复每年将花费15亿美元。
全氟辛烷磺酸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，”张说。“这就是为什么我们想出了这种基于蛋白质和纤维素的全天然解决方案，”他说。
马瑞利说:“我们是偶然来到这个项目的。使过滤材料成为可能的最初技术是由他的小组为一个完全无关的目的开发的——作为一种制造标签系统的方法，以对抗假冒种子的传播，这些种子往往质量低劣。他的团队设计了一种方法，通过一种在室温下对环境无害的水基滴铸法，将丝蛋白加工成均匀的纳米级晶体，或称“纳米原纤维”。
张教授表示，他们的新型纳米纤维材料可能在过滤污染物方面有效，但最初单独使用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”将其模板化为纳米原纤维。这使得先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交材料的基础。
通过将纤维素整合到可以形成薄膜的丝基原纤维中，然后调整纤维素的电荷，研究人员生产了一种在实验室测试中非常有效地去除污染物的材料。
他们发现，纤维素的电荷也赋予了它强大的抗菌性能。这是一个显著的优点，因为过滤膜失效的主要原因之一是细菌和真菌的污染。研究人员说，这种材料的抗菌特性应该会大大减少污染问题。
马瑞利说:“在提取金属离子和这些新出现的污染物方面，这些材料在水过滤方面确实可以与目前的标准材料竞争，而且它们的性能也可以超过目前的一些标准材料。”在实验室测试中，与目前使用的标准材料、活性炭或颗粒活性炭相比，这些材料能够从水中提取出数量级以上的污染物。
马瑞利说，虽然这项新工作是对原理的证明，但该团队计划继续改进材料，特别是在耐用性和原始材料的可用性方面。虽然所使用的丝蛋白可以作为丝绸纺织工业的副产品获得，但如果要扩大这种材料的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会以更低的成本实现相同的功能。
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对供水系统造成任何污染的风险之后。但他说，这种材料的一大优点是，蚕丝和纤维素成分都被认为是食品级物质，因此不太可能受到污染。
“目前大多数可用的普通材料都专注于一类污染物或解决单一问题，”张说。“我认为我们是首批同时解决所有这些问题的公司之一。”
研究团队包括麻省理工学院博士后孙慧和李萌，研究生麦克斯韦·卡利诺夫斯基，以及最近毕业的22届博士，现为耶鲁大学博士后的曹云腾。这项工作得到了海军研究办公室、国家科学基金会和新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟的支持。
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