類海綿型的新材料：將受染料污染的湖泊重新變得清澈

研究人員將一小塊海綿狀材料放在含有藍色染料的水中。大約10秒後，燒杯里的水變透明了。圖片來源：馬克·斯通（Mark Stone）/華盛頓大學

染料廣泛應用於紡織、化妝品、食品加工、造紙、塑料等行業。我們每年在全球範圍內生產約70萬噸用於給衣服、眼影、玩具和糖果上色的染料，這質量和帝國大廈(Empire State building)的質量相當。

在生產過程中，大約十分之一的染料產品被排放到廢水中。這些染料大多數都能避過傳統的廢水處理系統，留在廢水中最終進入湖泊、河流和池塘，污染這些水源還有生活在其中的水生動植物。即使是一點點添加用的染料也會阻礙陽光照射和植物的光合作用，從而破壞整個水域的生態系統。

華盛頓大學（UW）領導的一個研究小組發明了一種非常環保的方法，可以在幾秒鐘內去除水中殘餘的染料。六月發表在《應用催化B: 環境》雜誌上的一篇論文詳細地描述了這項技術。

弗吉尼亞大學環境與森林科學學院的生物資源科學與工程學院助理教授Anthony Dichiara說：「少量的染料會污染大量的水，所以我們需要找到一種快速有效地去除染料的方法。我們為自己取得的成果感到自豪，因為它對環境有十分重要的作用。」

研究小組開發了一種方法，他們用木漿和小塊金屬製成的類海綿型材料來去除水中殘餘染料，特別是去除殘餘染料帶有的顏色。纖維素是植物細胞壁的主要結構，也是地球上最豐富的天然材料，它是這種類海綿型材料的主體，配合裝飾有細小的鈀片。這種金屬可以作為催化劑，幫助快速去除染料顏色。

研究小組沒有從水中去除染料，而是試圖將染料的顏色改變成人類可見光譜之外的顏色。例如，有一種化學反應可以破壞紅色，使它看起來更淡甚至是無色。如果人為地浪費染料產品給湖泊中的水上色，就會阻止光合作用，那麼將染料從紅色轉變為透明應該會讓植物恢復正常生長。

如果使用一種叫做「還原劑」的分子對染料進行化學還原，可以改變染料的結構，使染料的顏色從紅色或藍色變為無色。然而，這種反應不是很有效，反應可能需要數周的時間。UW研究小組的材料包含一種催化劑，它與還原劑一起工作，反應過程幾乎是瞬間完成的。

在這篇新論文中，研究人員描述了他們開發出的簡單、可持續的除色材料。研究人員將纖維素分子與鈀金屬結合製成溶液，加熱混合溶液並在攪拌機中混合。然後，他們對材料進行了提純和冷凍乾燥處理，使其成為一種多孔、可重複使用的材料。製作出的類海綿材料99%以上是的氣孔，這些氣孔允許水流進流出，而孔壁中的金屬催化劑顆粒可以去除所有顏色。

這種材料就像真正的海綿一樣，可以從水裡拿出來反覆使用，而不會喪失去除水裡染料顏色的能力。研究人員表示，很難製造出如此輕盈、完美無瑕、可經過多次擠壓和過濾的材料，更不用說要求材料能夠一直保持瑞士乳酪狀結構，同時融合減色顆粒。

研究人員在實驗室中使用紡織品行業常見的藍色和紅色染料對這種材料進行了測試。他們先將帶顏色的水倒與現有的有助於減少色彩的分子混合，然後倒在材料上。液體通過材料後，流出的水是清澈的。另一項測試中，他們將海綿材料旋進一個裝有藍色染料的罐子里，大約10秒後顏色就消失了。

研究人員表示，在實驗室測試之外的實際環境中，許多像海綿一樣的微小物質會被釋放到一個被染料污染的湖泊里，同時也會釋放出有助於分解顏色的分子。就像把茶袋繞在杯子上旋轉一樣，海綿材料可以在湖上拖來拖去，直到所有的染料顏色都消失。

Dichiara說：「只要一點點染料就能使湖的顏色發生巨大的變化。當水中的染料濃度很低，並且需要非常迅速地加以處理時，這種方法是非常有效的。」

這篇文章的第一作者是弗吉尼亞大學訪問學者、華南農業大學的副教授古金，合作者有華南農業大學的胡川霜（Chuanshuang Hu）和張薇薇（Weiwei Zhang）。

這項工作的經費來自廣東省科技廳、廣東省林業局、美國農業部國家糧食和農業研究所

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