饮用水安全生产取得突破性进展

编辑推荐：研究人员发明了一种聚合物薄膜，能够将氟化物和氯离子以及其他离子分离出来。过滤膜对离子的选择性靶向在水净化、环境修复和工业生产中具有重要意义。

塔夫茨大学工程学院的一组科学家受到生物学的启发，开发了一种新的过滤技术，可以帮助遏制一种影响全球数千万人的与饮用水相关的疾病，并有可能改善环境修复、工业和化学生产以及采矿，其他流程。

研究人员在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上发表的报告显示，他们的新型聚合物膜可以将氟与氯和其他离子(带电原子)分离，选择性是其他方法报告的两倍。他们说，这项技术的应用可以防止水供应中的氟化物毒性，因为这种元素自然存在，对人类来说含量过高。

众所周知，在供水中添加氟化物可以减少包括蛀牙在内的蛀牙的发生率。不太为人所知的是，一些地下水的天然氟化物含量过高，可能导致严重的健康问题。长期接触过量的氟化物会导致氟中毒，这种情况实际上会削弱牙齿，使肌腱和韧带钙化，并导致骨骼畸形。世界卫生组织估计，饮用水中过量的氟已导致全球数千万例氟牙和氟骨症病例

使用相对便宜的过滤膜去除氟化物的能力可以保护社区不需要使用高压过滤或必须完全去除所有成分，然后再使饮用水矿化

工程学院化学和生物工程副教授Ayse Asatekin说：“离子选择性膜在减少饮用水中过量氟化物方面的潜力是非常令人鼓舞的。”“但这项技术的潜在用途不仅限于饮用水，还包括其他挑战。我们用来制造这种膜的方法很容易扩大规模用于工业应用。由于作为过滤器的实施也相对简单、成本低、环境可持续，它可以广泛应用于改善农业用水供应、清理化学废物和改善化学生产。

Asatekin说，例如，从理论上讲，这一过程可以提高用于可持续锂电池生产的有限地质储量的锂产量，或用于核能发电的铀产量

在开发合成膜的设计时，Asatekin的团队受到了生物学的启发。细胞膜在允许离子进出细胞方面具有显著的选择性，它们甚至可以非常精确地调节离子和分子的内外浓度

生物离子通道为这些小离子的通过创造了一个更有选择性的环境，通过在通道内排列具有不同大小和电荷以及对水的不同亲和力的功能化学基团。通过的离子与这些基团之间的相互作用受到通道孔纳米尺寸的影响，而通过的速率则受到相互作用的强弱的影响

Asatekin团队制作的过滤膜是通过将两性离子聚合物(一种表面含有紧密连接的正电荷和负电荷的聚合物)涂在多孔支架上设计的，形成通道比纳米更窄的膜，周围环绕着憎水和带正电荷和负电荷的化学基团。与生物通道一样，极小的孔迫使离子与孔中的带电基团和拒水基团相互作用，使得一些离子比其他离子通过得更快。在目前的研究中，聚合物的组成是针对氟对氯的选择。研究人员说，通过改变两性离子聚合物的组成，应该有可能针对不同离子的选择

目前大多数过滤膜通过粒子或分子大小和电荷的显著差异来分离分子，但很难区分单个原子离子，因为它们的大小和电荷几乎相同

相比之下，塔夫茨大学的研究人员的膜能够分离出仅相差原子直径一小部分的离子，即使它们的电荷几乎相同

总部位于剑桥的Zwitterco公司资助了这项研究，该公司将探索离子分离膜的规模化生产，以测试其在工业环境中的应用。

来源：Proceedings of the National Academy of Sciences

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