自然材料在水处理中的创新应用：从水生植物到纳米技术

自然材料在水处理中的创新应用：从水生植物到纳米技术

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https://www.sohu.com/a/846388648_121798711

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http://www.ym-em.com/article/128.html

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2023年1月7日，香港大学（港大）工程学院的研究团队宣布，他们成功研制出一种利用天然蚕丝制造的新型纳米过滤膜，称为丝基纳米过滤膜。该膜的过滤速度比传统商用纳米过滤膜快近10倍，标志着水处理技术的一次重大突破。

水生植物在水净化中的作用机理主要包括植物根系的吸收、植物富集作用、微生物作用以及对藻类的抑制作用。

水生植物在其生长过程中需要吸收营养物质，水环境中的某些污染物正好可被植物作为自身营养物质加以利用。水生植物吸收Pb、Zn后，不同器官富集存在显著差异，表现为根>茎>叶。水溶性污染物通过两个途径到达根表面：第一条是通过质体流途径，即污染物随植物的蒸腾拉力，在植物吸收水分的同时与水一同到达植物根部；另一条则是扩散途径，即通过扩散到达根表面。植物将污染元素作用自身营养物质吸收后，通过人为收割，将大量污染物移除水环境。

水生植物也可通过富集作用对水质进行净化，水生植物在吸收污染物尤其是重金属离子等有机物之后，便富集、固定在其体内，同时植物也具有将污染物转化成安全、低毒的结合态的机制。植物在吸收重金属离子后，通过金属转运细胞将重金属离子转运至根细胞，随后转运至液泡中。在重金属胁迫条件下，植物会形成适应性，即耐受基因型合成较多植物螯合肽(PC)，并与重金属离子螯合。在对菹草叶细胞的超微定位观察中发现，重金属离子主要富集于植物细胞壁上，植物细胞壁成为十分重要的离子交换场所。在植物细胞壁与金属离子结合未达到饱和前，植物细胞壁的金属沉淀作用会对植物对污染物的耐受性起到一定作用。

植物根系的分泌物能为根系微生物提供养分，促进其生长，根系微生态系统中，微生物数量显著高于其他区域，且根系微生物能对有机污染物起到降解和代谢作用。在水域环境中，根系微生物同样能起到修复污染水体的作用。在水生植物在水环境中利用光合作用生成氧气，并通过通气组织，将氧气从植物体的上部输送到底部，经过释放和扩散，在植物根部形成一个好氧区域，这个区域对很多微生物尤其是硝化细菌来说，是极好的繁衍栖息区域，因此这个区域的微生物相当活跃，能够将对水生动物有害的氨氮转化为硝态氮。凤眼莲又称水葫芦，是一种根系发达的高等水生植物，被广泛运用于污水治理，其发达的根系是其净化水质的重要因素。其根系微生物具有降酚作用，凤眼莲根系微生物能提高凤眼莲降酚效率和多酚氧化酶活性。

水生植物对藻类的抑制作用主要来自两个方面。第一个方面是水生植物的生长同样需要营养物质及光热条件等环境因素，因此会与藻类形成竞争效应。高等水生植物根系发达，在与藻类的竞争中处于优势地位，对氮、磷等营养元素的吸收能力较强，藻类由于缺少限制性营养元素，生长受到抑制，从而避免了水华的发生。同时水生植物的存在也会阻碍光照进入水体，进一步抑制藻类生长繁殖。另一方面，植物会分泌出抑制藻类生长的化感物质，这类物质主要分为五大类：脂肪族、芳香族、含氮杂环化合物、类萜和含氮化合物。研究表明，化感物质可通过影响藻类细胞膜结构、呼吸作用、光合作用、酶活性及基因表达以达到抑制藻类生长的目的。水生植物的离体器官仍具有分泌化感物质的能力，在今后的研究中亦可利用这一特性对化感物质进行分离、提纯。

山东大学环境学院李倩教授课题组在环境功能材料开发和新型水处理高级氧化技术应用方面取得系列新进展。相关成果先后发表于Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.、Advanced Materials、Environmental Science & Technology、Water Research、Journal of Hazardous Materials、ACS ES&T Engineering等国际知名期刊上。

高级氧化工艺（如亚氯酸盐活化工艺和过硫酸盐高级氧化工艺）因其经济、高效的优势被广泛用于实际有机废水处理。其中，过渡金属氧化物催化亚氯酸盐活化工艺通过同步生成非均相高价金属物质和二氧化氯，能够实现有机污染物的选择性氧化。然而，非均相高价金属物质在化学形态和演化机制上与均相高价金属物质不同，却常被混为一谈。以高价钴物质为例，非均相Co(IV)=O由于钴中心的d电子与氧原子之间存在强烈的电子排斥作用而不稳定，限制了亚氯酸盐的持续活化。除此之外，具有高效性和较强环境适应性的非均相铁基催化剂也面临着类芬顿反应过程中Fe2+/Fe3+循环易受阻的难题，但额外引入助催化剂又会给反应体系的实际应用方便性和环境安全性带来了不利影响。针对以上问题，李倩教授课题组开发了钴金属氧化物、铁/钼双金属碳基材料等系列新型功能纳米材料的合成和应用策略，改善了多种氧化剂的活化效率，实现了有机污染废水的高效处理，为新型高级氧化工艺催化剂的设计与优化提供了新思路。

该课题组通过紫外诱导改性方法成功将光激发氧空位（OVs）引入Co3O4（OV-Co3O4）中，以促进亚氯酸盐（ClO2–）的活化过程。密度泛函理论计算表明，OVs导致低配位Co原子的产生，通过氧原子俘获作用可定向锚定ClO2–。首先，ClO2–经过O-Cl裂解，将解离的O原子转移到低配位的Co原子上，形成具有较高自旋态的≡Co(IV)=O；≡Co(IV)=O从ClO2–中提取一个电子生成二氧化氯（ClO2），并伴随着Co原子返回较低的自旋状态。本工作提出了一种通过构筑光激发OVs作为氧原子俘获位点，以此来强化非均相高级氧化过程，并为通过缺陷工程调控≡Co(IV)=O的形成提供了新的见解。该工作发表在国际知名期刊Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.（IF=11.1；一区）上，山东大学为第一完成单位和通讯单位，博士研究生苏瑞典为第一作者。

此外该课题组针对铁循环易受阻、非均相催化剂制备条件复杂等类芬顿水污染控制技术中的常见难题，以负载有铁和钼金属离子的纤维素水凝胶为模板，设计合成了一种新型铁钼双金属碳基催化剂，实现了类芬顿反应中的有效铁循环。实验表明，具有“催化/助催化”性能的复合材料Fe2.5Mo@CNs比等量铁碳基催化剂Fe@CNs具有更高的类芬顿活化性能和更强的适用性。此外，结合不同表征手段，实验验证和理论计算证明，Fe2.5Mo@CNs催化剂中独特的Fe3Mo3N结构促进了过硫酸盐（PS）的吸附，降低了活性物种的产生能垒，进而实现了自由基（如SO4·-）和非自由基（如1O2和电子传递过程（ETP））的双重增强。这种一体化“催化/助催化”复合材料有望为类芬顿水污染治理提供新的促进策略。该工作发表在国际知名期刊Advanced Materials（IF=29.4；一区）上，山东大学为唯一完成单位，博士研究生刘震为第一作者。

上述研究得到国家自然科学基金委、山东省泰山学者基金和山东省科技创新重大专项等项目的资助。

自然材料在水处理中的应用具有以下优势：

1. 成本效益：水生植物等自然材料的获取和维护成本相对较低，且在使用过程中无需复杂的设备支持，降低了整体运营成本。

2. 环境友好性：自然材料的使用减少了化学药剂的投入，降低了对环境的二次污染风险，符合可持续发展的理念。

3. 多功能性：除了净化水质，水生植物还能美化环境、提供生态栖息地，实现多重生态效益。

4. 能源效率：如蚕丝纳米过滤膜所示，自然材料在水处理过程中往往能耗更低，有助于实现节能减排的目标。

随着全球水资源日益短缺，发展新型高效的水处理技术显得尤为重要。在此背景下，港大的丝基纳米过滤膜无疑为推动水处理技术的进步提供了新的选择。未来，随着科技的不断发展，或许将有更多基于天然材料的创新水处理方案浮出水面，助力人类社会在解决水资源问题上的持续努力。同时，加大对这类研究的支持，鼓励天然材料的应用，可能将成为推动可持续发展战略的重要一环。