新研發(fā)仿生凈水器可選擇性過濾重金屬

　受多種因素影響，全球越來越難找到干凈的水源，使健康飲水的問題更加嚴峻?，F(xiàn)在，科學家們從植物凈化土地能力上找到靈感，開發(fā)出一種仿生的凈水器，它可以選擇性過濾有害的重金屬離子。

　　干凈飲用水已經(jīng)是當前社會生存的基本條件，因此人們會采用合成或天然的沸石、逆滲透膜和離子交換樹脂，作為處理大量廢水的高效且經(jīng)濟的解決方案，但它們也存在根本缺陷，因為沸石和離子交換樹脂，對于污水的負載能力通常受到限制，很難增加其處理容量。只要處理的污水超過負載能力，過濾臟污的效果將大打折扣，且無法重復(fù)利用。

　　另外，這些水處理的材料不具備高度的選擇性，它們通常會將符合過濾條件的物質(zhì)過濾。原因是這些凈水器的孔隙會同等捕捉具有相似尺寸的金屬離子或其它物質(zhì)，導(dǎo)致一些對人體有利的微量金屬元素或物質(zhì)一并被過濾出去。

　　日本京都大學、大阪大學和德國海德堡大學的科研團隊，從植物修復(fù)土地獲得靈感，發(fā)現(xiàn)了植物蛋白質(zhì)過濾重金屬離子的特性，借此研發(fā)出一種具有選擇性過濾掉鎘離子的凈水器。該項結(jié)果于7月11日發(fā)布在《自然》雜志上。

　　由于植物本身含有豐富的蛋白質(zhì)、植物螯合素、谷胱甘肽低聚物，可以選擇性地捕獲土壤、地下水和空氣中存在的金屬離子，并對其解毒。例如：螯合蛋白能與鎘離子（Cd2+）形成復(fù)合物，并將其隔離在液泡中，而且不會與植物必備的金屬離子相互作用。

　　研究人員利用丙烯酸（AA）和半胱氨酸丙烯酰胺（S -Tri-Cys-Aam）共聚物合成pAA-Cys5，用其做成模仿植物的物質(zhì)，以模擬植物過凈水的能力。之后通過等溫滴定量熱法（ITC）、離子光譜等方法，去評估pAA–Cys5對鎘離子和鈣離子（Ca2+）的親和力。

　　結(jié)果顯示，這種仿生共聚物具有相當高的負載能力，能夠分辨出鈣離子和鎘離子，原因是pAA–Cys5的羧酸基團和硫醇基團，大都會與鎘離子相互作用，但與鈣離子只有極少作用，這兩者形成明顯的親和力差。

　　于是，他們把含有鎘離子的溶液（達工業(yè)廢水等級），分別放到有添加和未添加pAA–Cys5的二氧化硅微粒（10 μm）和纖維素膜，進行過濾實驗。

　　結(jié)果顯示，兩種含有pAA–Cys5的二氧化硅微粒和纖維素膜，都能夠良好的過濾大量的鎘離子，而未添加的則無法過濾鎘離子。另外，含有pAA–Cys5的凈水器，可以把廢水在一個小時內(nèi)，過濾出0.3升的可飲用水。

　　這種含有pAA–Cys5的凈水器，可以通過抓取金屬離子的螯合劑乙二胺四乙酸（EDTA）進行復(fù)原，且復(fù)原率可達83%，或通過600°C高溫回收該物質(zhì)。該結(jié)果突顯含有pAA–Cys5凈水器具可回收和可重復(fù)利用的特性。

　　另外，pAA–Cys5凈水器也對汞離子表現(xiàn)出較高的親和力，這表明它可以有效去除其它重金屬。

　　這次選擇鎘離子主要原因在于它進到人體后，會累積在人體里面并逐漸毒害人體，且造成的傷害幾乎是不可逆轉(zhuǎn)的，而常見的鎘慢性中毒有腎受損、骨質(zhì)疏松癥、肺損害等。

　　研究人員表示，該結(jié)果表明將仿生合成聚合物材料是一種有前途的替代方案，可實現(xiàn)水生環(huán)境中重金屬離子的高效和選擇性去除，這將有利提高水處理的效率。