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受動植物特性啟發(fā)，京都大學(xué)打造出能“吃掉”水中重金屬的新型高分子材料
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時間：2024-08-12 11:29:43
我們賴以生存的水環(huán)境中，隱藏著一群危險(xiǎn)的“無形殺手”——有毒金屬離子。這些微小卻致命的粒子，悄無聲息地滲透進(jìn)江河湖海，給生態(tài)系統(tǒng)和人類健康帶來了巨大的威脅。



一、無形的殺手：水中有毒金屬離子



水，本應(yīng)是生命的源泉，卻因?yàn)檫@些有毒金屬離子的存在，變成了潛在的“毒湯”。像汞、鎘、鉛、鉻、砷等重金屬離子，它們以各種方式混入水體，工業(yè)廢水的肆意排放、礦山的開采、農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)的使用，都成為了它們?nèi)肭值耐緩健?/span>



據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年全球因工業(yè)廢水排放進(jìn)入水體的汞約有 1900 噸，鎘約有 39000 噸，鉛約有 240000 噸。一旦這些有毒金屬離子在水中扎根，其危害便如惡魔般蔓延。



以汞為例，它能悄無聲息地侵襲人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使人的智力逐漸衰退，語言表達(dá)變得困難，甚至奪走生命。在某些嚴(yán)重污染地區(qū)，汞中毒導(dǎo)致的智力障礙發(fā)生率高達(dá) 15%。



鎘，這個“沉默的破壞者”，專門瞄準(zhǔn)腎臟，引發(fā)腎臟功能的衰竭，還會讓骨骼變得脆弱不堪。在鎘污染嚴(yán)重的區(qū)域，患骨質(zhì)疏松癥的風(fēng)險(xiǎn)增加了 30%。



鉛，則尤其對兒童的大腦發(fā)育造成重創(chuàng)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)障礙和行為異常。約有 600 萬兒童因鉛中毒而出現(xiàn)智力發(fā)育遲緩的問題。



砷，更是個“隱形的惡魔”，長期與之接觸，皮膚癌、肺癌等絕癥便可能接踵而至。在砷污染地區(qū)，癌癥的發(fā)病率比正常地區(qū)高出 25%。



這些水中的有毒金屬離子不僅直接傷害著人體，還在生態(tài)鏈中不斷積累和傳遞。魚類、貝類等水生生物成為了它們的“臨時住所”，隨著食物鏈的層層遞進(jìn)，最終危害到人類自身。



二、科技之光：日本京都大學(xué)的創(chuàng)新突破



正當(dāng)我們在水中有毒金屬離子的威脅下憂心忡忡時，日本京都大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)宛如黑暗中的一束強(qiáng)光，帶來了新的希望。他們成功研發(fā)出了一種新型高分子材料，為解決這一全球性難題邁出了關(guān)鍵的一步。



日前他們在英國《自然·通訊》雜志上報(bào)告說：研發(fā)出一種新型高分子材料，能有選擇性地大量捕捉水中有毒的重金屬離子，凈化水環(huán)境。



三、神奇的獵手：新型高分子材料的特性



一些動植物巧妙地運(yùn)用能夠選擇性地與特定重金屬離子結(jié)合的蛋白質(zhì)，以保護(hù)自己免受這些離子的危害。例如，植物會利用其細(xì)胞內(nèi)的植物螯合肽，精準(zhǔn)地捕獲從根部吸收的地下水中的重金屬離子，如鎘，隨后將這些有害物質(zhì)封存于液泡之中。



正是受此自然現(xiàn)象的啟發(fā)，研究人員開發(fā)出一種新型合成高分子材料，該材料擁有與植物螯合肽在結(jié)合重金屬離子時所使用的相同官能團(tuán)。進(jìn)一步的研究證實(shí)，這種合成高分子與鎘離子的結(jié)合能力甚至超越了天然的植物螯合肽。



這種新型高分子材料就像是一張精密的大網(wǎng)，能夠大量且高效地捕捉廢水中的有毒金屬離子。其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)賦予了它強(qiáng)大的吸附能力，無論是微小的汞離子，還是難以捉摸的鎘離子，都難以逃脫它的“掌心”。



這種創(chuàng)新材料不僅模擬了植物螯合肽與重金屬離子結(jié)合的關(guān)鍵官能團(tuán)，更是在結(jié)合效率上實(shí)現(xiàn)了超越，展現(xiàn)了對鎘離子等有害物質(zhì)的更強(qiáng)結(jié)合力。



更為顯著的是，研究團(tuán)隊(duì)通過先進(jìn)的納米技術(shù)和材料科學(xué)手段，實(shí)現(xiàn)了該高分子材料的超高集成化，極大地提升了其捕捉重金屬離子的效率。



實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在相同條件下，這種新型材料對汞離子的吸附量可達(dá)每克材料吸附 200 毫克，對鎘離子的吸附量可達(dá)每克材料吸附 150 毫克。在實(shí)驗(yàn)中，它展現(xiàn)出了令人驚嘆的捕捉效率，能夠在短時間內(nèi)將廢水中的有毒金屬離子濃度降低到極低的水平，在對工業(yè)廢水進(jìn)行的凈化實(shí)驗(yàn)中，3毫升這種超高集成材料在一小時內(nèi)將300毫升廢水中的鎘離子清除到符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)。



四、實(shí)戰(zhàn)中的英雄：材料在廢水處理中的表現(xiàn)



（一）工業(yè)廢水的凈化奇跡



工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生的廢水往往是有毒金屬離子的“重災(zāi)區(qū)”。但自從有了這種新型高分子材料，情況發(fā)生了巨大的改變。



在電鍍廠、化工廠、礦山等產(chǎn)生大量廢水的地方，這種材料有望廣泛應(yīng)用于廢水處理設(shè)施中。我們希望曾經(jīng)渾濁不堪、充滿各種有毒金屬離子的廢水，也將經(jīng)過它的處理，變得清澈透明，重金屬離子含量大幅降低，達(dá)到了嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。



（二）保障飲用水安全的衛(wèi)士



飲用水的安全是關(guān)系到每個人生命健康的大事。這種新型高分子材料在保障飲用水安全方面也將發(fā)揮重要作用。



它如果被應(yīng)用于飲用水凈化系統(tǒng)中，英國能夠有效地去除水中可能存在的微量有毒金屬離子，為人們提供了更加純凈、放心的飲用水。



五、“未來的征程：挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存”



雖然這種新型高分子材料已經(jīng)取得了顯著的成果，但科研的腳步永不停歇。未來，需要進(jìn)一步優(yōu)化其性能，提高捕捉效率、選擇性和穩(wěn)定性，以應(yīng)對更加復(fù)雜和嚴(yán)峻的廢水處理需求。



實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用是最終目標(biāo)，但目前還面臨著成本較高等問題。需要通過技術(shù)創(chuàng)新和工藝改進(jìn)，降低材料的生產(chǎn)成本，使其能夠廣泛應(yīng)用于各類廢水處理場景。



在水污染治理的戰(zhàn)場上，單一的技術(shù)往往難以獨(dú)當(dāng)一面。這種新型高分子材料需要與其他廢水處理技術(shù)相結(jié)合，形成協(xié)同作戰(zhàn)的強(qiáng)大力量，共同為改善水環(huán)境質(zhì)量而努力。



水污染是一個全球性的問題，需要各國科研人員和相關(guān)機(jī)構(gòu)加強(qiáng)合作，共享經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，共同應(yīng)對水中有毒金屬離子帶來的挑戰(zhàn)。目前，已經(jīng)有超過 20 個國家的科研團(tuán)隊(duì)參與到相關(guān)的合作研究中。



結(jié)語：



水中有毒金屬離子的危害是嚴(yán)峻的，但日本京都大學(xué)研發(fā)的新型高分子材料為我們帶來了戰(zhàn)勝它們的希望。在這場與水污染的持久戰(zhàn)爭中，每一次科技的進(jìn)步都是我們前進(jìn)的動力。



相信在不遠(yuǎn)的將來，通過不斷的創(chuàng)新和努力，我們能夠徹底清除水中的這些“無形殺手”，讓清澈、純凈的水流淌在每一個角落，為人類和地球創(chuàng)造一個更加美好的未來。

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