一种快速消除水中微污染物的新方法

“两性离子”可能不是你每天都会遇到的一个词，但对于麻省理工学院化学工程系的帕特里克·多伊尔教授来说，这是一个他的团队正在开发的从水中去除微污染物的技术的核心。源自德语单词“zwitter”，意思是“杂化”，“两性离子”分子是那些具有相等数量的正电荷和负电荷的分子。

Doyle实验室的博士生Devashish Gokhale以磁铁为例来描述两性离子材料。“在磁铁上，你有一个相互粘附的北极和一个南极，而在两性离子分子上，你有一个正电荷和一个负电荷，它们以类似的方式相互粘附。由于许多无机微污染物和一些有机微污染物本身就带有电荷，Doyle和他的团队一直在研究如何部署两性离子分子来捕获水中的微污染物。

在 Nature Water的一篇新论文中，Doyle，Gokhale和本科生Andre Hamelberg解释了他们如何使用两性离子水凝胶以最小的操作复杂性可持续地捕获水中的有机和无机微污染物。过去，两性离子分子因其不污染特性而被用作水处理膜上的涂层。但在Doyle小组的系统中，两性离子分子被用来形成支架材料，或水凝胶内的骨架 – 一个含有大量水的聚合物链的多孔三维网络。“与用于制造水凝胶或聚合物的其他材料相比，两性离子分子对水具有非常强的吸引力，”Gokhale说。更重要的是，两性离子分子上的正电荷和负电荷导致水凝胶的压缩性低于水凝胶中通常观察到的可压缩性。这使得水凝胶明显更加膨胀、坚固和多孔，这对于扩大基于水凝胶的水处理系统的规模非常重要。

这项研究的早期阶段得到了麻省理工学院安利捷水和食品系统实验室 （J-WAFS） 的种子资助。Doyle的团队现在正在寻求将该平台商业化，用于家庭使用和工业规模的应用，并得到了J-WAFS解决方案资助的支持。

寻求可持续的解决方案

微污染物是化学上多样化的材料，可能对人类健康和环境有害，尽管它们相对于传统污染物的浓度通常较低（微克至毫克/升）。微污染物可以是有机的或无机的，可以是天然存在的或合成的。有机微污染物主要是碳基分子，包括杀虫剂以及被称为“永久化学品”的全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）。无机微污染物，如铅和砷等重金属，往往比有机微污染物小。不幸的是，有机和无机微污染物在环境中无处不在。

许多微污染物来自工业过程，但人为引起的气候变化的影响也导致了微污染物的环境扩散。戈卡莱解释说，例如，在加利福尼亚州，火灾会燃烧塑料电缆并将微污染物渗入自然生态系统。Doyle补充说，“除了气候变化之外，由于废水中药物浓度过高，流行病等因素可能会增加环境中有机微污染物的数量。

因此，在过去几年中，微污染物越来越受到关注也就不足为奇了。Gokhale说，这些化学品引起了媒体的关注，并导致了“环境工程和监管环境的重大变化”。2023 年 3 月，美国环境保护署 （EPA） 提出了一项严格的联邦标准，将规范饮用水中的六种不同的 PFAS 化学物质。就在去年10月，美国环保署提议禁止使用微污染物三氯乙烯，这是一种致癌化学物质，存在于制动清洁剂和其他消费品中。就在11月，美国环保署提议要求全国的自来水公司更换所有铅管，以保护公众免受铅暴露。在国际上，戈卡莱注意到《奥斯陆巴黎公约》，该公约的使命是保护大西洋东北部的海洋环境，包括逐步淘汰石油和天然气工业的海上化学品排放。

随着每一项新的、必要的法规来保护我们水资源的安全，对有效水处理工艺的需求也在增长。使这一挑战更加复杂的是，需要使水处理过程具有可持续性和能源效率。

处理水中微污染物的基准方法是活性炭。然而，用活性炭制造过滤器是能源密集型的，在大型集中式设施中需要非常高的温度。戈卡莱说，“制造一公斤活性炭大约需要四公斤煤，所以你会向环境中损失大量的二氧化碳。根据世界经济论坛的数据，全球水和废水处理占年排放量的5%。仅在美国，EPA报告称，饮用水和废水系统每年的温室气体排放量超过4500万吨。

“我们需要开发比当今工业上使用的方法具有更小的气候足迹的方法，”Gokhale说。

支持“高风险”项目

2019 年 9 月，Doyle 和他的实验室开始了一个初始项目，开发一个基于微粒的平台，以去除水中的各种微污染物。Doyle的团队一直在制药加工中使用水凝胶将药物分子配制成药丸形式。当他了解到 J-WAFS 种子资助机会用于水和食品系统的早期研究时，Doyle 意识到他在水凝胶方面的制药工作可以应用于水处理等环境问题。“如果我去NSF（美国国家科学基金会），我永远不会得到这个项目的资助，因为他们只会说，’你不是水人。但 J-WAFS 种子基金为高风险、高回报的项目提供了一种方式，“Doyle 说。

2022 年 3 月，Doyle、Gokhale 和麻省理工学院本科生 Ian Chen 发表了种子资助工作的结果，描述了他们在水凝胶中使用胶束进行水处理。胶束是称为表面活性剂的分子（存在于肥皂等物质中）与水或其他液体接触时形成的球形结构。该团队能够合成含有胶束的水凝胶颗粒，这些颗粒可以像海绵一样吸收水中的微污染物。与活性炭不同，水凝胶颗粒系统由环保材料制成。此外，该系统的材料是在室温下制造的，这使得它们比活性炭更具可持续性。

在种子基金成功的基础上，Doyle 和他的团队于 2022 年 9 月获得了 J-WAFS 解决方案基金，以帮助将他们的技术从实验室推向市场。在这种支持下，研究人员已经能够构建、测试和完善其水凝胶平台的中试规模原型。解决方案资助期间的系统迭代包括使用两性离子分子，这是种子资助工作的新进展。

在商业水处理过程中，快速消除微污染物尤为重要，因为在商业水处理过程中，水在运行过滤装置内停留的时间有限。这被称为接触时间，Gokhale解释说。在市政规模或工业规模的水处理系统中，接触时间通常不到 20 分钟，可以短至 5 分钟。

“但是，当人们一直试图针对这些新兴的微污染物时，他们意识到他们无法在与传统污染物相同的时间尺度上达到足够低的浓度，”Gokhale说。“大多数技术只关注特定分子或特定类别的分子。因此，您拥有仅针对PFAS的整个技术，然后您拥有其他针对铅和金属的技术。当您开始考虑从水中去除所有这些污染物时，您最终会得到具有大量单元操作的设计。这是一个问题，因为你的工厂位于大城市的中心，它们不一定有空间扩展以增加接触时间以有效去除多种微污染物，“他补充道。

由于两性离子分子具有赋予高孔隙率的独特特性，研究人员已经能够设计出一种系统，以更快地从水中吸收微污染物。测试表明，水凝胶可以消除六种化学成分多样化的微污染物，速度比商业活性炭快至少10倍。该系统还与多种材料兼容，使其具有多功能性。微污染物可以与水凝胶平台内的许多不同位点结合：有机微污染物与胶束或表面活性剂结合，而无机微污染物与两性离子分子结合。胶束、表面活性剂、两性离子分子和其他螯合剂可以互换，以根据被处理水的概况，基本上以不同的功能调整系统。这种“即插即用”添加各种功能剂不需要改变水凝胶平台的设计或合成，添加更多功能不会剥夺现有功能。通过这种方式，基于两性离子的系统可以在一个步骤中快速去除较低浓度的多种污染物，而无需大型工业装置或资本支出。

也许最重要的是，道尔小组系统中的粒子可以再生并一遍又一遍地使用。只需将颗粒浸泡在乙醇浴中，就可以无限期地清洗它们的微污染物，而不会损失功效。当活性炭用于水处理时，活性炭本身会受到微污染物的污染，必须作为有毒化学废物处理，并在特殊的垃圾填埋场处理。随着时间的推移，垃圾填埋场中的微污染物将重新进入生态系统，使问题长期存在。

麻省理工学院化学工程系和麻省理工学院斯隆管理学院的MBA博士候选人Arjav Shah最近加入了该团队，领导商业化工作。该团队发现，两性离子水凝胶可用于多种现实世界，从大型工业填充床到小型便携式离网应用（例如，可以在食堂清洁水的平板电脑中），他们已经开始通过麻省理工学院和士顿地区的一些商业化计划来试验该技术。

团队每个成员的综合优势继续以有影响力的方式推动该项目向前发展，包括像 Nature Water 论文的第三作者 Andre Hamelberg 这样的本科生。Hamelberg是麻省理工学院本科生研究机会计划（UROP）的参与者。Gokhale 也是 J-WAFS 研究员，他在实验室为 Hamelberg 和其他 UROP 学生提供培训和指导。

“我们认为这是一个教育机会，”Gokhale说，并指出UROP学生通过他们在实验室进行的研究来学习科学和化学工程。Gokhale说，J-WAFS项目也是“让本科生对水处理和化学工程更可持续的方面感兴趣的一种方式”。他补充说，这是“为数不多的从设计特定化学品到制造小型过滤器和装置，并扩大规模并商业化的项目之一。对于本科生来说，这是一个很好的学习机会，我们总是很高兴他们能和我们一起工作。

在四年的时间里，该技术已经能够从最初的想法发展成为具有可扩展、实际应用的技术，使其成为 J-WAFS 项目的典范。J-WAFS 和 Doyle 实验室之间卓有成效的合作为任何可能希望将他们的研究应用于水或食品系统项目的麻省理工学院教师提供了灵感。

“J-WAFS 项目是揭开化学工程师工作神秘面纱的一种方式，”Doyle 说。“我认为化学工程有一种古老的观念，认为只在石油和天然气中工作。但现代化学工程专注于使生活和环境更美好的事物。