加州大学伯克利分校的化学家发现了一种简化有毒金属去除的方法。比如汞和硼。在海水淡化以生产清洁水的过程中，同时可能捕获有价值的金属，例如黄金。
海水淡化——去除盐分——只是从海洋或废水中生产饮用水或农业或工业用水过程中的一个步骤。在去除盐分之前或之后，通常必须对水进行处理，以去除对植物有毒的硼和对人类有毒的重金属，如砷和汞。通常，该过程会留下难以处理的有毒盐水。
这项新技术可以很容易地添加到当前基于膜的电渗析脱盐工艺中，可以去除近%的这些有毒金属，生产纯盐水和纯水，并分离出有价值的金属以备后用或处置。
“海水淡化或水处理厂通常需要一系列高成本的预处理和后处理系统，所有的水都必须一个接一个地通过，”加州大学伯克利分校的研究生、第一作者AdamUliana说。描述该技术的论文。“但在这里，我们有能力将其中的几个步骤全部完成，这是一个更有效的过程。基本上，您可以在现有设置中实施它。”
将吸收性纳米颗粒添加到聚合物膜中可以简化脱盐过程。
入纳米颗粒的聚合物膜可选择性去除离子化合物（顶部），用于电渗析（底部），不仅去除盐分，还去除金属，其中许多有毒，产生纯净的水和更容易处理的无毒盐水的。膜（绿色和红色）可以多次冲洗和重复使用，而有价值的金属可能会被回收。图片来源：加州大学伯克利分校照片由AdamUliana提供
加州大学伯克利分校的化学家合成了柔性聚合物膜，就像目前在膜分离过程中使用的那些，但嵌入了纳米粒子，可以调整以吸收特定的金属离子——例如金或铀离子。如果要回收金属，膜可以包含单一类型的调谐纳米颗粒，或者如果需要在一个步骤中去除多种污染物，则每种类型都经过调整以吸收不同的金属或离子化合物。
带有纳米颗粒的聚合物膜在水中和高温下非常稳定，这对于许多其他类型的吸收剂而言并非如此，包括大多数金属有机框架(MOF)，当嵌入膜中时。
研究人员希望能够调整纳米粒子以去除其他类型的有毒化学物质，包括一种常见的地下水污染物：PFAS，或塑料中发现的多氟烷基物质。他们称之为离子捕获电渗析的新工艺也有可能从核电厂流出物中去除放射性同位素。
在他们最近发表在《科学》杂志上的研究中，Uliana和资深作者、加州大学伯克利分校化学教授JeffreyLong证明，将聚合物膜结合到基于膜的电渗析系统中时非常有效——电压驱动离子穿过膜去除盐和金属-以及主要用于化学加工的扩散透析。
“电渗析是一种已知的脱盐方法，在这里，我们采用的方式是将这些新颗粒融入膜材料中，并捕获目标有毒离子或中性溶质，如硼，”Long说。“所以，当你驱使离子通过这个膜时，你也在净化水，比如汞。但这些膜也可以高选择性地以高容量去除其他金属，如铜和铁。”
全球水资源短缺需要重复利用废水
水资源短缺在世界各地变得司空见惯，包括加利福尼亚和美国西部，气候变化和人口增长加剧了这种情况。沿海社区越来越多地安装植物来淡化海水，但内陆社区也在寻找方法将受污染的水源——地下水、农业径流和工业废物——转化为清洁、安全的农作物、家庭和工厂用水。
虽然反渗透和电渗析很适合从海水等高盐度水源中去除盐分，但留下的浓缩盐水可能含有高含量的金属，包括镉、铬、汞、铅、铜、锌、金和铀。
但是海洋正日益受到工业和农业径流的污染，内陆源头更是如此。
“这对于那些污染物含量低但在这些低含量下仍然有毒的地区，以及在其溪流中含有多种类型有毒离子的不同废水处理地点尤其有用，”Long说。
大多数海水淡化过程使用反渗透膜去除盐分——主要以钠和氯离子形式存在于水中——使用反渗透膜，允许水通过，但不允许离子，或使用离子交换聚合物，允许离子通过，但不允许水通过。新技术只是增加了多孔纳米颗粒，每个纳米颗粒的直径约为纳米，可捕获特定离子，同时允许钠、氯和其他非目标带电分子通过。
长期设计和研究可以用独特分子装饰的多孔材料，这些分子可以从液体或气体流中捕获目标化合物：例如来自发电厂排放的二氧化碳。这些聚合物膜中使用的纳米粒子称为多孔芳香骨架或PAF，它们是碳原子的三维网络，由多个环状分子（称为芳香化合物的化学基团）组成的化合物连接。内部结构与钻石的结构有关，但碳原子之间的连接被房族连接物加长以产生大量内部空间。各种分子可以连接到芳香族接头上以捕获特定的化学物质。
例如，为了捕获汞，连接了称为硫醇的硫化合物，已知这些化合物与汞紧密结合。添加的甲基化硫基团能够捕获铜，而含有氧和硫的基团能够捕获铁。改变后的纳米粒子约占膜重量的20%，但由于它们非常多孔，因此约占体积的45%。
计算表明，在需要对膜进行再生之前，一公斤聚合物膜可以从35,升含有百万分之5(ppm)金属的水中去除基本上所有的汞。
Uliana在他的实验中表明，硼酸是一种对作物有毒的硼化合物，可以通过这些膜去除，尽管扩散透析依赖于浓度梯度来驱动化学物质——它不是离子，如金属——通过被PAF纳米粒子捕获的膜。
“我们尝试了不同类型的高盐度水——例如地下水、工业废水和微咸水——并且该方法适用于每一种，”他说。“它似乎适用于不同的水源；这是我们想要融入其中的设计原则之一。”
Uliana还证明，这些膜可以重复使用多次——至少10次，但可能更多——而不会失去吸收离子金属的能力。含有PAFs地膜可以吸收金属，很容易释放它们吸收的金属以供捕获和再利用。