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7月27日消息，能源部橡樹嶺國家實驗室的研究人員利用一種獨特的材料來應對全球水資源挑戰(zhàn)，該材料旨在同時去除兩種有毒的重金屬污染物。

橡樹嶺國家實驗室的研究人員設計了一種吸附材料，可以同時從水資源中快速去除有毒的鉻和砷。圖片來源：Adam Malin/ORNL，美國能源部

ORNL 化學科學部的 Santa Jansone-Popova 和現(xiàn)在在 Elementis Global 工作的 Ping Li 在水資源含有許多化學相似元素的實際條件下發(fā)現(xiàn)了一種對鉻和砷具有高選擇性的吸附劑。

發(fā)表在Small上的結果表明，這種新材料以 2 比 1 的平衡比例捕獲鉻和砷?；镜倪M步創(chuàng)造了鉻和砷捕獲之間的協(xié)同作用，因此材料捕獲的鉻越多，它也可以去除更多的砷。

Jansone-Popova 說：“一種吸附劑很少能同時捕獲兩種污染物，并在現(xiàn)實場景中快速有效地工作，以解決全球范圍內廣泛的水條件?！?/span>

鉻和砷是全球飲用水中發(fā)現(xiàn)的兩種最危險的污染物。兩者都是有毒的，會導致不利的健康影響，包括癌癥。即使是低水平也會對生物體構成重大風險，因為每次接觸都會產生生物累積或累積劑量，并且會逐漸達到有害量。這些元素自然存在，但隨著工業(yè)和城市化，它們在環(huán)境中的存在隨著廣泛的采礦、生產和制造的副產品而增加。釋放影響空氣、土壤和水，但飲用水是最常見的接觸途徑。

在水中，這些金屬溶解形成鉻酸鹽和砷酸鹽氧陰離子或鹽，其化學性質類似于水中天然存在的有益礦物質，包括磷酸鹽、硫酸鹽、硝酸鹽和碳酸氫鹽。鉻酸鹽和砷酸鹽在水中具有很高的流動性，可以產生深遠的影響。它們不會降解，并且在沒有干預的情況下永久存在于環(huán)境中。需要有針對性的方法將這些金屬與對生態(tài)系統(tǒng)至關重要的無害礦物鹽分離。

Jansone-Popova 是 ORNL 小組的成員，該小組專門研究吸附劑，這些材料旨在針對特定元素并將它們結合到表面上。吸附劑在幫助回收貴金屬或去除環(huán)境中的污染物方面具有廣泛的應用。

Jansone-Popova 說：“它們是最有前途的水處理選擇之一，因為它們價格合理、易于部署并且可以快速過濾供水，但它們需要針對清潔場景中的實際使用進行定制。” “挑戰(zhàn)在于設計能夠有效分離與水中發(fā)現(xiàn)的大量化學物質非常相似的微量有害元素的材料。”

在吸附劑設計中，選擇性是關鍵。由于材料的表面提供有限的空間，因此目標是僅抓住目標元素并在吸附劑填滿并需要更換或回收之前盡可能多地捕獲。選擇性差的材料缺乏在混合環(huán)境（例如水）中挑選出目標的精度，在這些環(huán)境中，類似元素會爭奪空間。

Jansone-Popova 之前領導設計了一種對鉻酸鹽具有高選擇性的吸附劑，該吸附劑在存在競爭物種的情況下可以快速發(fā)揮作用以凈化水。發(fā)表在《環(huán)境科學與技術》上的一項研究表明，這種新型材料在一分鐘內將鉻酸鹽濃度降低了 100 倍（百萬分之 1 至十億分之十），并達到了比美國環(huán)境保護署設定的允許限值低一個數(shù)量級的水平.

與 Ping Li 的合作建立在開發(fā)框架的基礎上，該框架可以用一種材料捕獲鉻酸鹽和砷酸鹽。

“我們的起始材料在捕獲最具毒性的六價鉻形式的鉻方面非常有效，但該方法并非旨在對砷有選擇性，”李說：“然而，隨著這種反應的發(fā)生，材料發(fā)生了變化，為新化學物質創(chuàng)造了一個平臺?！?/span>

研究人員修改了原來的結構，將捕獲的鉻 6 還原為毒性較低的鉻-3。Chromium-3 還具有提供結合砷酸鹽的錨點的好處。這種新結構能夠進行化學反應，形成牢固地結合在表面上的穩(wěn)定的鉻酸鹽-砷酸鹽簇。結果有效地永久捕獲了毒素，因為如果沒有通過化學處理有意去除，它們不會從過濾材料上洗掉或分離。

“我們利用六價鉻的有效捕獲來引入一種新的結構，該結構也可以與砷結合，”李說。

砷酸鉻酸鹽曾用作加壓處理木材的添加劑，為這種結構提供了靈感。

該團隊已為該結構申請了專利，并正在與合作者合作，將方法擴展到其他環(huán)境污染物。

“像這樣的基本發(fā)現(xiàn)可以幫助我們減少環(huán)境中的有毒污染物并滿足清潔水的監(jiān)管目標，”Jansone-Popova 說。