當今科技中使用的化學物質對水的汙染已成為全球範圍內日益嚴重的問題。美國疾病控製中心最近的一項研究發現，98% 的受試者血液中檢測到了 PFAS 水平，PFAS 是一類特別持久的化合物，也被稱為永久化學物質。
麻省理工學院的研究人員開發了一種新型過濾材料，或許可以為這一頑固的汙染問題提供基於自然的解決方案。這種材料以天然絲和纖維素為基礎，可以去除多種持久性化學物質以及重金屬。而且，它的抗菌特性可以幫助防止過濾器結垢。
該研究成果發表在《ACS Nano》雜誌上，由麻省理工學院博士後張一林、土木與環境工程教授貝內代托·馬雷利和其他四位麻省理工學院的研究人員撰寫。
PFAS 化學物質存在於各種產品中，包括化妝品、食品包裝、防水服裝、消防泡沫和炊具防粘塗層。最近的一項研究發現，僅在美國就有 57,000 處地點受到這些化學物質的汙染。美國環境保護署估計，為了滿足新法規要求將 PFAS 限製在飲用水中低於 7 ppb 的水平，PFAS 修複每年將花費 15 億美元。
張說，PFAS 和類似化合物的汙染“實際上是一個非常大的問題，目前的解決方案可能隻能非常有效或經濟地部分解決這一問題”。“這就是為什麽我們想出了這種基於蛋白質和纖維素的完全天然的解決方案，”他說。
“我們偶然參與了這個項目，”馬雷利說。他的團隊最初開發了過濾材料技術，但目的卻完全不同——製作標簽係統來阻止假冒種子的傳播，而假冒種子往往質量較差。他的團隊發明了一種在室溫下通過環保的水基滴鑄法將絲蛋白加工成均勻的納米級晶體或“納米原纖維”的方法。
張教授表示，他們的新納米纖維材料可能能夠有效過濾汙染物，但最初僅使用蠶絲納米纖維的嚐試並沒有奏效。該團隊決定嚐試添加另一種材料：纖維素，這種材料儲量豐富，可以從農業木漿廢料中獲得。
研究人員采用了一種自組裝方法，將絲素蛋白懸浮在水中，然後通過插入纖維素納米晶體的“種子”將其模板化為納米纖維。這使得之前無序的絲分子沿著種子排列在一起，形成具有獨特新特性的混合材料的基礎。
通過將纖維素整合到可形成薄膜的絲基原纖維中，然後調整纖維素的電荷，研究人員製作出了一種在實驗室測試中能有效去除汙染物的材料。
他們發現，纖維素的電荷還使其具有很強的抗菌性能。這是一個顯著的優勢，因為過濾膜失效的主要原因之一是細菌和真菌的汙染。研究人員表示，這種材料的抗菌性能應該可以大大減少汙染問題。
“在提取金屬離??子和這些新興汙染物方麵，這些材料確實可以與水過濾領域的現有標準材料相媲美，而且它們目前的表現甚至優於其中一些材料，”Marelli 說道。在實驗室測試中，這些材料能夠從水中提取比目前使用的標準材料（活性炭或顆粒活性炭）多幾個數量級的汙染物。
Marelli 表示，雖然這項新研究隻是一種原理驗證，但該團隊計劃繼續改進這種材料，特別是在耐用性和原材料可用性方麵。雖然所用的絲蛋白可以作為絲綢紡織業的副產品，但如果要擴大這種材料的產量以滿足全球對水過濾的需求，供應可能會不足。此外，替代蛋白質材料可能會以更低的成本發揮同樣的功能。
張教授表示，最初，這種材料可能被用作即用型過濾器，可以安裝在廚房水龍頭上。最終，它可以擴大規模，為市政供水提供過濾，但前提是測試證明這不會給供水帶來任何汙染風險。不過，他說，這種材料的一大優勢是，蠶絲和纖維素成分都被認為是食品級物質，因此不太可能出現任何汙染。
“目前大多數常規材料都隻針對一類汙染物或解決單一問題，”張說。“我認為我們是第一批同時解決所有這些問題的人之一。”
