新研发：仿生净水器可选择性过滤重金属

2023年5月18日，在印度班加罗尔举行的水博览会上，一名参展商在摊位上展示各种家用净水器。（Manjunath Kiran/AFP via Getty Images）

受多种因素影响，全球越来越难找到干净的水源，使健康饮水的问题更加严峻。现在，科学家们从植物净化土地能力上找到灵感，开发出一种仿生的净水器，它可以选择性过滤有害的重金属离子。

干净饮用水已经是当前社会生存的基本条件，因此人们会采用合成或天然的沸石、逆渗透膜和离子交换树脂，作为处理大量废水的高效且经济的解决方案，但它们也存在根本缺陷，因为沸石和离子交换树脂，对于污水的负载能力通常受到限制，很难增加其处理容量。只要处理的污水超过负载能力，过滤脏污的效果将大打折扣，且无法重复利用。

另外，这些水处理的材料不具备高度的选择性，它们通常会将符合过滤条件的物质过滤。原因是这些净水器的孔隙会同等捕捉具有相似尺寸的金属离子或其它物质，导致一些对人体有利的微量金属元素或物质一并被过滤出去。

日本京都大学、大阪大学和德国海德堡大学的科研团队，从植物修复土地获得灵感，发现了植物蛋白质过滤重金属离子的特性，借此研发出一种具有选择性过滤掉镉离子的净水器。该项结果于7月11日发表在《自然》杂志上。

由于植物本身含有丰富的蛋白质、植物螯合素、谷胱甘肽低聚物，可以选择性地捕获土壤、地下水和空气中存在的金属离子，并对其解毒。例如：螯合蛋白能与镉离子（Cd2+）形成复合物，并将其隔离在液泡中，而且不会与植物必备的金属离子相互作用。

研究人员利用丙烯酸（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质，以模拟植物过净水的能力。之后透过等温滴定量热法（ITC）、离子光谱等方法，去评估pAA–Cys5对镉离子和钙离子（Ca2+）的亲和力。

结果显示，这种仿生共聚物具有相当高的负载能力，能够分辨出钙离子和镉离子，原因是pAA–Cys5的羧酸基团和硫醇基团，大都会与镉离子相互作用，但与钙离子只有极少作用，这两者形成明显的亲和力差。

于是，他们把含有镉离子的溶液（达工业废水等级），分别放到有添加和未添加pAA–Cys5的二氧化硅微粒（10 µm）和纤维素膜，进行过滤实验。

结果显示，两种含有pAA–Cys5的二氧化硅微粒和纤维素膜，都能够良好的过滤大量的镉离子，而未添加的则无法过滤镉离子。另外，含有pAA–Cys5的净水器，可以把废水在一个小时内，过滤出0.3公升的可饮用水。

这种含有pAA–Cys5的净水器，可以透过抓取金属离子的螯合剂乙二胺四乙酸（EDTA）进行复原，且复原率可达83%，或透过600°C高温回收该物质。该结果突显含有pAA–Cys5净水器具可回收和可重复利用的特性。

另外，pAA–Cys5净水器也对汞离子表现出较高的亲和力，这表明它可以有效去除其它重金属。

这次选择镉离子主要原因在于它进到人体后，会累积在人体里面并逐渐毒害人体，且造成的伤害几乎是不可逆转的，而常见的镉慢性中毒有肾受损、骨质疏松症、肺损害等。

研究人员表示，该结果表明将仿生合成聚合物材料是一种有前途的替代方案，可实现水生环境中重金属离子的高效和选择性去除，这将有利提高水处理的效率。