淨水技術 | 滿足日常檢測的「晶片實驗室」是何方神聖

本期國際水務科技前沿帶您關注：

• 快速檢測沉積物中痕量鉛--可攜式「晶片實驗室」
• 摻氮二氧化鈦修飾膜表面--實現濾膜的自我清潔
• 汙水處理副產物修復地面坑窪

快速檢測沉積物中痕量鉛-可攜式「晶片實驗室

美國羅格斯大學的研究人員開發了一種微型設備，可以在幾分鐘內測量港口、河道以及其他水體底部沉積物裡的痕量毒鉛（trace levels of toxic lead），比目前基於實驗室的的測量要快得多——該設備從沉積物樣品中富集鉛，並使用氧化石墨烯薄膜作為鉛檢測器。該設備價格實惠，可滿足政府、水司、學校以及居民的日常使用，輕鬆而迅速地檢測飲用水中鉛的含量。羅格斯大學的Mehdi Javanmard教授還表示，除了可以用在水體檢測外，該設備還可以用於檢測魚中的鉛含量。

圖片來源: Azam Gholizadeh

圖. 新型可攜式「晶片實驗室」設備可快速檢測沉積物毒鉛含量。該微型裝置使用氧化石墨烯作為鉛檢測器，可以從樣品中提純鉛。

由於沉積物是水生生態系統中有害重金屬的主要來源之一，因此快速、實時地檢測沉積物中的重金屬至關重要。常規檢測鉛，汞和銅之類的有毒金屬，通常需要先收集樣品，然後再將樣品送至實驗室進行分析，不僅價格昂貴而且耗時，通常需要好幾天才能得到檢測結果。因此迫切需要一種靈敏且價格低廉的設備，不僅便於攜帶，還可以在短時間內就地分析、檢測樣品，以便快速識別汙染熱點。

電化學傳感器具備快速檢測能力，但是針對重金屬的原位測量，電化學傳感器受限於複雜的預處理。為克服此缺點，羅格斯大學的研究人員開發了一種集成系統，由多孔基體組成，可將Pb2+提純至用作活性傳感材料的氧化石墨烯（graphene oxide, GO）薄膜上。該設備的緊湊傳感系統主要由兩個組件組成：（1）帶有氧化石墨烯的改進型電化學傳感器，以及（2）由人造海綿（cellulose sponge）組成的預處理柱。

圖片來源: Azam Gholizadeh et al. 2020

圖. 緊湊型電化學鉛傳感器裝置示意圖。人造海綿的設計和SEM示意圖，比例尺為200 µm 。

該集成傳感器可原位檢測複雜沉積物樣品中的鉛含量，線性範圍內的檢測濃度極限為 4 ppb（μg/L）。該微型裝置可以用最少的預處理劑和最少的時間，直接檢測沉積物樣品中痕量鉛，有望成為現場監測環境樣品中重金屬的有效解決方案。儘管當前的研究集中主要集中在針對鉛濃度的檢測，但是該集成傳感平臺可進一步開發用於檢測其他各種有毒金屬。接下來，研究人員將進一步驗證該設備的實用性能並提高其耐用性，計劃在2-4年內實現產品商業化。

摻氮二氧化鈦修飾膜表面-實現濾膜的自我清潔

低價有效的濾膜已十分常見，可普遍用於水處理、半導體製造以及食品飲料行業；但是大多數濾膜都很容易被有機和無機材料堵塞，隨著時間的推移造成嚴重的膜汙染。

美國能源部阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的科研人員們近期開發了一種用於濾膜的光活化塗層，可以實現濾膜的自我清潔，無需關閉正在運行的過濾系統來進行清潔或更換膜組件。

圖. 膜汙染光致自淨示意圖 圖片來源：Argonne National Laboratory

二氧化鈦（TiO2）作為一種光催化劑, 由於其良好的化學穩定性和熱穩定性、高效、無毒, 成本低且和生物相容等特點, 已廣泛應用於環保的各個領域。阿貢國家實驗室的研發團隊在二氧化鈦的基礎上做了改進，添加了氮氣，形成摻氮二氧化鈦。普通的TiO2隻能在紫外線下起作用，氮的引入能夠使TiO2產生可見光催化活性，催化效率提高24倍。摻氮TiO2塗層可用作分解汙垢的催化劑，將汙垢從膜中釋放出來，從而達到清潔的目的。

汙水處理副產物修復地面坑窪

路面坑窪經常導致過往車輛輪胎和懸架的損壞。目前，道路工作人員採用瀝青填充修補這些坑窪；但是這種修復材料會滲出汙染環境。近期，來自加州州立貝克斯菲爾德大學的研究人員提出了一種全新且生態友好的方式來修復道路——將汙水處理產生的殘留砂礫（通常進行垃圾填埋處理）進行處理，配製成為陶瓷砂漿（ceramic mortar）。這種物質通常稱為砂礫輔助修補劑（grit assisted patch, GAP），相對於瀝青來說環境友好，適用於修補坑窪，同時具備市場化潛力。

砂礫是汙水處理過程中產生的一種不可降解的固體（主要是沙子和礫石）。由於包含有病原體和其他雜質，砂礫不適合直接回收利用，通常需要進行填埋處理。研究人員最終決定將砂礫與磷酸鹽陶瓷（chemically bonded phosphate ceramic, CBPC）結合進行處理。CBPC通常用於處理危險或放射性廢棄物，但目前還沒有人將其用於汙水產物。

圖. 汙水處理產生的砂礫（左）經過處理成為可填充坑坑窪的陶瓷砂漿（右）。圖片來源：Zhongzhe Liu

由於CBPC會令微生物失活，因此研究人員認為這可能是殺死病原體並最終獲得安全材料的好途徑。含礫CBPC的製備主要分為兩步：

• 溼砂與氧化鈣和氧化鎂混合，形成鹼性砂漿，防止病原體擴散；
• 鹼性砂漿中添加磷酸二氫鉀，形成含礫CBPC砂漿。

傳統的瀝青修復劑在石油蒸餾後會留下粘性的黑色印記，並且含有對人體健康不利的多環芳烴。含礫CBPC修復劑消除了這種環境危害，而且製備過程中使用的基質由鈣鎂氧化物組成，對人無毒無害。到目前為止，研究人員已經在實驗室分析了GAP的性能，實驗證明其具有與瀝青路面相當的抗壓強度，並且使用壽命可能將優於瀝青。基於這些初步發現，研究小組已為GAP申請了專利。同時，他們還在進一步提高GAP的抗壓強度，可能將其用於其他應用（例如停車位末端的防撞/減速裝置）。

下一階段研究將評估GAP作為道路坑窪修補劑投與現有路面接觸時的粘結強度，以及暴露於極端環境下的耐久性，為產品市場化做準備。研究小組目前正在進行示範性實驗——在交通正常的運營道路上對GAP進行現場測試。如有必要，他們將研究添加劑以進一步改善新材料的機械性能和耐久性。此外，他們還計劃對GAP和傳統修復劑進行比較，以全面了解GAP在碳足跡和經濟效益方面的優勢。

來源：本文源自IWA國際水協會，僅供分享交流不做商業用途

排版：西貝

校對：王佳

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