研究发现了一种可以吸附空气和水污染物的新材料，它有望成为目前使用的活性炭的低成本可持续替代品。
污染使地球的土地、水、空气和其他环境组成部分变得肮脏、不安全且不适宜利用。污染是由人为引入或进入自然环境的污染物造成的。污染种类繁多；例如，土地污染主要由生活垃圾和商业公司的工业废料造成。水污染是指将外来物质引入水中，包括化学物质、污水、杀虫剂、化肥或汞等金属。空气污染是由燃烧燃料产生的颗粒物（例如烟尘）造成的，这些颗粒物包含数百万个漂浮在空气中的微小颗粒。另一种常见的空气污染是危险气体，例如二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物和化学蒸汽。此外，空气污染也可能以温室气体（例如二氧化碳或二氧化硫）的形式存在，并通过温室效应加剧全球变暖。另一种污染类型是噪声污染，当来自飞机、工业或其他来源的噪音达到有害水平时就会造成噪声污染。
尽管近年来人们为改善环境做出了巨大努力，但污染仍然是一个重大问题，持续威胁着全球两亿人的健康。发展中国家的污染问题无疑最为严重，工业排放、卫生条件差、废物管理不善、水源污染以及生物质燃料造成的室内空气污染等传统污染源影响着大量人口。然而，即使在发达国家，环境污染依然存在，尤其是在社会贫困阶层中。尽管发展中国家的风险普遍更高，但贫困、技术应用方面的经济制约以及薄弱的环境法律共同导致了高污染水平。不安全的饮用水、恶劣的卫生条件、不良的卫生习惯和室内空气污染进一步加剧了这种风险。污染对胎儿和儿童的生长发育有害，癌症和其他疾病可能导致预期寿命低至45岁。空气和水污染是隐形的杀手，被认为会对地球乃至人类造成不利影响。我们呼吸的空气具有非常明确的化学成分，其中99%是氮气、氧气、水蒸气和惰性气体。空气污染是指空气中混入了原本不应存在的物质。颗粒物——存在于空气中的固体颗粒和液滴，它们来自发电厂、工业、汽车和火灾——如今在城市甚至郊区都无处不在。此外，每年还有数百万吨工业废水排放到世界各地的水域中。颗粒物和染料都对环境、生态系统和人类健康具有剧毒。
处理空气和水污染的方法和程序多种多样，包括过滤、离子交换、混凝、分解、吸附等，每种方法的成功率各不相同。相比之下，吸附法因其操作简便、效率高、使用方便等优点，被认为是最可行的。在各种吸附剂中，活性炭是空气和废水污染治理中最常用的吸附剂。活性炭，也称为活性炭粉，是一种经过特殊处理的碳，其表面具有微小的孔隙，从而增加了可用于吸附或化学反应的表面积。事实上，活性炭是吸附剂中的黄金标准。碳对苯等有机污染物具有天然的亲和力，这些污染物会吸附在其表面。如果将碳“活化”，即在1,800摄氏度下进行蒸汽处理，它会形成微小的孔隙和空腔，从而增加其表面积。杀虫剂、氯仿和其他污染物会渗入这种蜂窝状结构的孔隙中并牢牢吸附。此外，经过彻底处理后，水中不会残留任何碳。中国和印度等发展中国家的水处理厂通常使用活性炭。同样，活性炭具有特殊的性质，有助于去除空气中的挥发性化合物、异味和其他气态污染物。它的工作原理非常简单。活性炭也有一些缺点，首先，它非常昂贵，而且保质期很短，因为它只能使用到孔隙被填满为止——这就是为什么需要定期更换滤芯的原因。活性炭也很难再生，而且其有效性会随着时间的推移而降低。对于某些污染物（例如不被碳吸附的污染物）或致病细菌和病毒，活性炭的去除效果并不理想。
经济和可持续的替代方案
最近发表在《化学前沿》（Frontiers in Chemistry）上的一项研究中，研究人员开发出一种经济实惠、低成本且可持续的材料，用于治理空气和水污染。这种新型“绿色”多孔材料由固体废弃物和丰富的天然有机聚合物制成，与活性炭相比，在吸附废水和空气中的污染物方面展现出巨大的潜力，并被誉为一种“经济的替代品”。这种新型“绿色”吸附剂结合了两种原料：一种是天然丰富的原料——海藻酸钠（一种可从海藻中提取的多糖），另一种是工业副产品——硅粉（硅金属合金加工的副产品）。该材料合成简便，通过海藻酸钠的凝胶特性和碳酸氢钠在低温下不同尺度上的分解来控制孔隙率。在废水污染测试中，研究人员使用了一种蓝色染料作为模型污染物。结果表明，这种新型混合材料对染料的吸附和去除效率约为94%，令人鼓舞。即使浓度非常高的这种染料也能被去除。这种材料在捕获柴油尾气中的颗粒物方面展现出令人鼓舞的能力。由意大利布雷西亚大学的Elza Bontempi博士领导的研究表明，这种材料能够非常有效地替代活性炭，既能捕获空气中的细颗粒物，也能捕获废水中的有机污染物，从而减少污染。
这项研究令人振奋，因为这种新材料采用极具创新性和低成本的方式，利用天然丰富的聚合物和工业废料（通常都会被丢弃）制成。这种被称为“有机-无机杂化材料”的新材料不仅成本低廉，而且可持续、可再生，甚至有望取代活性炭，成为更理想的选择。它在生产过程中消耗的能源（“隐含”能源）更少，因此碳足迹也更低。此外，这种材料具有自稳定性，无需高温热处理，并且可以放大生产规模以进行各种实验。正在进行的测试进一步表明，它可以在常温常压下储存，并且随着时间的推移只会变得更加稳定，而不会发生任何降解。因此，它用途广泛，在空气和水过滤领域具有广阔的应用前景。这为对抗空气和水污染、保护地球母亲和人类带来了巨大的希望。
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参考文献：
Zanoletti A 等. 2019. 一种源自硅粉和藻酸盐的新型多孔杂化材料用于可持续污染物减排。化学前沿. 6. https://doi.org/10.3389/fchem.2018.00060
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