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还担心喝到纳米塑料颗粒?科学家开发出10分钟去除水中微/纳塑料的黑科技!

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高分子科学前沿 2021-04-22 13:35

有着“白色污染”之称的塑料垃圾已对人们的生活环境造成严重的污染,而微/纳尺度的塑料(NP)作为一种新兴的污染物更是对环境和人体健康具有潜在的危险性。这类无处不在的NP很有可能分散在水中,随着人类的饮食、用水而进入人体,造成组织渗透和引发炎症,也可成为体内毒素的积聚物。由于NP的尺寸非常小、化学性质各异,常规处理塑料的方法,如过滤技术、生物降解、化学氧化等都难以高效、完全地除去NP。因此,开发出高效去除水中NP的技术迫在眉睫。

德国埃朗根‐纽伦堡大学Marcus Halik等人开发了核壳型超顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPIONs),它们可以吸引微纳米塑料并将其粘合到较大的团聚体上,然后可以通过施加外部磁场将其10分钟内从水中除去通过调控功能化SPIONs的表面势能,可以有效地吸引互补的带电NP,并且其上的正烷基链能与有机NP优先相互作用,避免了无机颗粒的干扰。作者通过使用来自不同水域(包括河水)的各类NP和不同SPION材料进行的系统性治理实验,验证了该技术的通用性,其对水中混合NP具有优异的治理性能。由于所用材料和工艺都很简单,该技术具有非常大的工业应用潜力。该研究以题为“The remediation of nano-/microplastics from water”的论文发表在《Materials Today》上。

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【去离子水中NP的去除】

作者制备了核壳SPION材料,其中Fe 3O 4或Fe 2O 3的芯都修饰有相应的不同膦酸分子层(图1a)。该外壳设计同时提供静电和范德华力,使得SPION吸附到NP表面(图1b),并将它们进一步连接到较大的团聚体上(图1c)。最后可以通过施加外部磁场将这些NP-SPION聚集体磁性收集并从水中去除(图1d)。作者选用了三种化学性质不同的纳米级聚合物,聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯和三聚氰胺树脂以验证其通用性。此外,作者还研究了不同大小和化学成分的混合NP的治理方法。相应的SEM分析表明(图2),在SPIONs的存在下NP混合物会形成更大的团聚体,尺寸甚至比SPIONs的尺寸大一个数量级。

图1 纳米塑料去除的机理示意图

图2在去离子水中未经SPION处理和处理后的NP形貌

【聚集体形态分析】

为了更深入地了解NP-SPION聚集物,作者对其进行了扫描透射电子显微镜(STEM)、选择区域电子衍射(SAED)、能量色散X射线光谱(EDXS)和电子断层扫描(ET)表征。图3a和3b显示了混合PS团聚体的高角度环形暗场图像,揭示了较小的SPION颗粒能很好地分散在两个PS球的周围和之间。通过对其成分进行EDXS平均测量,可以确定该PS体系中Fe / C的原子分数比为1.9%。将原子分数转换为PS与SPION的质量比,得出其收集NP的能力为其自身质量的8.1倍。图3d和e展示了一个典型的混合PS团聚体的3D重建的可视化结果,证实了PS球与Fe 3O 4之间形成较大团聚体的牢固连接。同样地,作者在其他聚合物体系中观察到了与PS体系类似的结果。

图3 SPION处理的PS的形态表征

【实际水样中的NP治理】

作者用装有无机SiO 2颗粒的去离子水样品和实际水样(河水)进行了相同的治理实验。结果表明,无论二氧化硅的大小如何,SPION收集的各种聚合物与去离子水中一样有效,说明无机SiO 2颗粒的吸附竞争似乎对其收集NP的能力没有负面影响。从河水中进行的NP治理(污水处理厂的永久排放)展现出了SPION的最佳的收集NP的能力。SEM图像表明,河水处理的团聚体看起来与在去离子水中收集到的团聚体相似,并且没有掺入无机沉积物。由于实际水中污染物的性质和浓度未知,难免会存在另外吸附的小分子,如有机肥皂、腐殖酸或除草剂等,它们很可能会影响NP在SPION上的吸附能力。作者推测,这种分子有可能有助于补偿不利的表面电荷,从而提高每个SPION的收集。

总结:作者展示了一种去除微纳级塑料垃圾的通用技术,而无需考虑塑料和水质的类型。所开发的SPIONs可以连接并聚集具有不同化学结构和尺寸的纳米塑料颗粒。同时,壳层的分子结构提供了有机烷基链,这有利于克服无机颗粒的干扰。作者通过从实际水样中去除NP验证了该技术的可行性,其原理可概括为利用SPION连接在NP表面并驱动它们附聚为较大的可处理颗粒。

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702121000821

来源:高分子科学前沿

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