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7月27日消息，能源部橡树岭国家实验室的研究人员利用一种独特的材料来应对全球水资源挑战，该材料旨在同时去除两种有毒的重金属污染物。

橡树岭国家实验室的研究人员设计了一种吸附材料，可以同时从水资源中快速去除有毒的铬和砷。图片来源：Adam Malin/ORNL，美国能源部

ORNL 化学科学部的 Santa Jansone-Popova 和现在在 Elementis Global 工作的 Ping Li 在水资源含有许多化学相似元素的实际条件下发现了一种对铬和砷具有高选择性的吸附剂。

发表在Small上的结果表明，这种新材料以 2 比 1 的平衡比例捕获铬和砷。基本的进步创造了铬和砷捕获之间的协同作用，因此材料捕获的铬越多，它也可以去除更多的砷。

Jansone-Popova 说：“一种吸附剂很少能同时捕获两种污染物，并在现实场景中快速有效地工作，以解决全球范围内广泛的水条件。”

铬和砷是全球饮用水中发现的两种最危险的污染物。两者都是有毒的，会导致不利的健康影响，包括癌症。即使是低水平也会对生物体构成重大风险，因为每次接触都会产生生物累积或累积剂量，并且会逐渐达到有害量。这些元素自然存在，但随着工业和城市化，它们在环境中的存在随着广泛的采矿、生产和制造的副产品而增加。释放影响空气、土壤和水，但饮用水是最常见的接触途径。

在水中，这些金属溶解形成铬酸盐和砷酸盐氧阴离子或盐，其化学性质类似于水中天然存在的有益矿物质，包括磷酸盐、硫酸盐、硝酸盐和碳酸氢盐。铬酸盐和砷酸盐在水中具有很高的流动性，可以产生深远的影响。它们不会降解，并且在没有干预的情况下永久存在于环境中。需要有针对性的方法将这些金属与对生态系统至关重要的无害矿物盐分离。

Jansone-Popova 是 ORNL 小组的成员，该小组专门研究吸附剂，这些材料旨在针对特定元素并将它们结合到表面上。吸附剂在帮助回收贵金属或去除环境中的污染物方面具有广泛的应用。

Jansone-Popova 说：“它们是最有前途的水处理选择之一，因为它们价格合理、易于部署并且可以快速过滤供水，但它们需要针对清洁场景中的实际使用进行定制。” “挑战在于设计能够有效分离与水中发现的大量化学物质非常相似的微量有害元素的材料。”

在吸附剂设计中，选择性是关键。由于材料的表面提供有限的空间，因此目标是仅抓住目标元素并在吸附剂填满并需要更换或回收之前尽可能多地捕获。选择性差的材料缺乏在混合环境（例如水）中挑选出目标的精度，在这些环境中，类似元素会争夺空间。

Jansone-Popova 之前领导设计了一种对铬酸盐具有高选择性的吸附剂，该吸附剂在存在竞争物种的情况下可以快速发挥作用以净化水。发表在《环境科学与技术》上的一项研究表明，这种新型材料在一分钟内将铬酸盐浓度降低了 100 倍（百万分之 1 至十亿分之十），并达到了比美国环境保护署设定的允许限值低一个数量级的水平.

与 Ping Li 的合作建立在开发框架的基础上，该框架可以用一种材料捕获铬酸盐和砷酸盐。

“我们的起始材料在捕获最具毒性的六价铬形式的铬方面非常有效，但该方法并非旨在对砷有选择性，”李说：“然而，随着这种反应的发生，材料发生了变化，为新化学物质创造了一个平台。”

研究人员修改了原来的结构，将捕获的铬 6 还原为毒性较低的铬-3。Chromium-3 还具有提供结合砷酸盐的锚点的好处。这种新结构能够进行化学反应，形成牢固地结合在表面上的稳定的铬酸盐-砷酸盐簇。结果有效地永久捕获了毒素，因为如果没有通过化学处理有意去除，它们不会从过滤材料上洗掉或分离。

“我们利用六价铬的有效捕获来引入一种新的结构，该结构也可以与砷结合，”李说。

砷酸铬酸盐曾用作加压处理木材的添加剂，为这种结构提供了灵感。

该团队已为该结构申请了专利，并正在与合作者合作，将方法扩展到其他环境污染物。

“像这样的基本发现可以帮助我们减少环境中的有毒污染物并满足清洁水的监管目标，”Jansone-Popova 说。