“两性离子”可能不是你每天都会遇到的一个词，但对于麻省理工学院化学工程系的帕特里克·多伊尔教授来说，这个词是他的团队正在开发的去除水中微污染物的技术的核心。“两性离子”分子源自德语单词“zwitter”，意思是“混合体”，是具有相同数量正电荷和负电荷的分子。

Devashish Gokhale，博士多伊尔实验室的学生用磁铁的例子来描述两性离子材料：“在磁铁上，你有一个互相粘在一起的北极和南极，而在两性离子分子上，你有一个正电荷和一个负电荷电荷以类似的方式相互粘附。”

由于许多无机微污染物和一些有机微污染物本身带电，Doyle 和他的团队一直在研究如何利用两性离子分子来捕获水中的微污染物。

在一篇新论文在天然水Doyle、Gokhale 和本科生 Andre Hamelberg 解释了他们如何使用两性离子水凝胶以最小的操作复杂性从水中可持续捕获有机和无机微污染物。过去，两性离子分子已被用作膜上的涂层，用于水处理因为它们的不结垢特性。但在多伊尔小组的系统中，两性离子分子被用来形成支架材料，或水凝胶内的主链——一种含有大量水的聚合物链的多孔三维网络。

“与用于制造水凝胶或聚合物的其他材料相比，两性离子分子对水具有非常强的吸引力，”戈卡莱说。更重要的是，积极和负电荷两性离子分子上的相互作用导致水凝胶的可压缩性低于水凝胶中通常观察到的可压缩性。这使得水凝胶变得更加膨胀、坚固和多孔，这对于扩大基于水凝胶的水处理系统的规模非常重要。

寻求可持续的解决方案

微污染物是化学性质多样的物质，可能对人类健康和环境有害，尽管相对于常规污染物，它们的浓度通常较低（微克至毫克每升）。微污染物可以是有机的或无机的，可以是天然存在的或合成的。有机微污染物主要是碳基分子，包括农药以及被称为“永远的化学物质”的全氟烷基物质和多氟烷基物质（PFAS）。无机微污染物，例如铅和砷等重金属，往往比有机微污染物小。不幸的是，有机和无机微污染物在环境中普遍存在。

许多微污染物来自工业过程但人为引起的气候变化的影响也促进了微污染物的环境扩散。戈卡莱解释说，例如在加利福尼亚州，火灾会燃烧塑料电缆，并将水蛭微污染物带入自然生态系统。

多伊尔补充道，“除了气候变化之外，由于废水中药物浓度很高，流行病等事件也会导致环境中有机微污染物的数量激增。”

因此，在过去几年中，微污染物越来越受到人们的关注也就不足为奇了。这些化学物质引起了媒体的关注，并导致“环境工程和监管环境，”戈卡莱说。

2023 年 3 月，美国环境保护署 (EPA) 提出了一项严格的联邦标准，对饮用水中的六种不同的 PFAS 化学物质进行监管。就在去年十月，美国环保局提议禁止使用微污染物三氯乙烯，这是一种致癌化学物质，存在于刹车清洁剂和其他消费品中。就在去年 11 月，美国环保局 (EPA) 提议要求全国自来水公司更换所有铅管，以保护公众免受铅暴露的影响。

在国际上，戈卡莱提到了《奥斯陆巴黎公约》，该公约的使命是保护东北大西洋的海洋环境，包括逐步停止石油和天然气行业近海化学品的排放。

随着保护水资源安全的每一项新的必要法规的出台，对有效水处理工艺的需求也在增长。使这一挑战更加复杂的是需要使水处理过程可持续且节能。

处理水中微污染物的基准方法是活性炭。然而，用活性炭制造过滤器是能源密集型的，需要在大型集中设施中保持非常高的温度。戈卡莱说，大约“生产一公斤活性炭需要四公斤煤，因此会向环境中损失大量二氧化碳。”根据世界经济论坛的数据，全球水和废水处理占年度排放量的 5%。据 EPA 报告，仅在美国，饮用水和废水系统每年排放的温室气体就超过 4500 万吨。

“我们需要开发比当今工业使用的方法具有更小的气候足迹的方法，”戈卡莱说。

支持“高风险”项目

2019 年 9 月，Doyle 和他的实验室启动了一个初步项目，开发基于微粒的平台，以去除水中的多种微污染物。他的团队一直在制药加工中使用水凝胶将药物分子配制为药丸形式。他很快意识到他的水凝胶制药工作可以应用于水处理等环境问题。

2022 年 3 月，Doyle、Gokhale 和麻省理工学院本科生 Ian Chen发表的研究结果描述了他们使用水凝胶内的胶束进行水处理。胶束是一种球形结构，当表面活性剂分子（存在于肥皂等物质中）与水或其他液体接触时形成。

该团队能够合成充满胶束的水凝胶颗粒，可以像海绵一样吸收水中的微污染物。与活性炭不同，水凝胶颗粒系统由环保材料制成。此外，该系统的材料是在室温下制造的，使其比活性炭更具可持续性。

在这一成功的基础上，Doyle 和他的团队于 2022 年 9 月开始将他们的技术从实验室推向市场。他们已经能够构建、测试和完善其水凝胶平台的中试规模原型。系统迭代包括使用两性离子分子，这是他们早期工作的一个新进展。

快速消除微污染物在商业水处理过程中特别重要，因为水在运行过滤装置内停留的时间有限。戈卡莱解释说，这被称为接触时间。在市政规模或工业规模的水处理系统中，接触时间通常少于 20 分钟，甚至可以短至 5 分钟。

“但当人们一直试图针对这些新兴的令人关注的微污染物时，他们意识到它们无法在与传统污染物相同的时间范围内达到足够低的浓度，”戈卡莱说。

“大多数技术只关注特定分子或特定类别的分子。因此，您拥有仅关注 PFAS 的整体技术，然后还有针对铅和金属的其他技术。当您开始考虑从水中去除所有这些污染物时，您最终会得到具有大量单元操作的设计，这是一个问题，因为您的工厂位于大城市中心，并且它们不一定有空间扩展以有效地增加接触时间。去除多种微污染物，”他补充道。

由于两性离子分子具有赋予高孔隙率的独特性质，研究人员已经能够设计出一种能够更快地从水中吸收微污染物的系统。测试表明，水凝胶消除六种化学性质不同的微污染物的速度至少比商用活性炭快 10 倍。

该系统还与多种材料兼容，使其具有多功能性。微污染物可以结合到水凝胶平台内的许多不同位点：有机微污染物结合到胶束或表面活性剂，而无机微污染物结合到两性离子分子。可以交换胶束、表面活性剂、两性离子分子和其他螯合剂，以根据所处理的水的情况基本上调整具有不同功能的系统。

这种各种功能剂的“即插即用”添加不需要改变水凝胶平台的设计或合成，并且添加更多功能不会剥夺现有功能。通过这种方式，基于两性离子的系统可以在一个步骤中快速去除较低浓度的多种污染物，而不需要大型工业装置或资本支出。

也许最重要的是，道尔小组系统中的粒子可以再生并反复使用。只需将颗粒浸泡在乙醇浴中，就可以洗掉微污染物，以便无限期使用而不会丧失功效。当活性炭用于水处理时，活性炭本身会受到微污染物的污染，必须作为有毒化学废物处理并在专门的垃圾填埋场进行处理。随着时间的推移，垃圾填埋场中的微污染物将重新进入生态系统，使问题长期存在。

Arjav Shah 分别是麻省理工学院化学工程系和麻省理工斯隆管理学院的 MBA 博士候选人，最近加入该团队领导商业化工作。研究小组发现，两性离子水凝胶可用于多种现实环境，从大规模工业填充床到小型、便携式、离网应用，例如，可以在片剂中清洁水他们已经开始在麻省理工学院和大波士顿地区通过一系列商业化项目试点该技术。

团队中每个成员的综合优势继续以有影响力的方式推动该项目向前发展，其中包括像 Andre Hamelberg 这样的本科生，该项目的第三作者天然水纸。哈梅尔伯格是麻省理工学院本科生研究机会计划 (UROP) 的参与者。Gokhale 也是安利捷世界水和食品安全实验室 (J-WAFS) 研究员，为 Hamelberg 和实验室的其他 UROP 学生提供培训和指导。

“我们认为这是一个教育机会，”Gokhale 说，并指出 UROP 的学生通过在实验室进行的研究来学习科学和化学工程。戈卡莱说，该项目也是“让本科生对水处理和化学工程更可持续方面感兴趣的一种方式”。他补充说，这是“从设计特定化学物质到建造小型过滤器和装置、扩大规模并商业化的少数几个项目之一。这对本科生来说是一个非常好的学习机会，我们总是很高兴能有这样的机会。”他们和我们一起工作。”

在四年内，该技术已经从最初的想法发展成为具有可扩展的实际应用的技术，使其成为 J-WAFS 项目的典范。J-WAFS 和 Doyle 实验室之间富有成效的合作为任何想要将其研究应用于水或食品系统项目的麻省理工学院教师提供了灵感。

“J-WAFS 项目是揭开化学工程师工作神秘面纱的一种方式，”Doyle 说道。“我认为化学工程的旧观念只适用于石油和天然气。但现代化学工程专注于让生活和环境变得更好的事情。”

这个故事由麻省理工学院新闻转载（web.mit.edu/新闻办公室/），一个热门网站，涵盖有关麻省理工学院研究、创新和教学的新闻。