智慧奈米科技海綿：吸附汙染物，回收珍貴資源

隨著水道日益受到藻華、農業徑流和工業廢棄物汙染的困擾，研究人員正積極開發新方法，以去除水中如磷酸鹽、銅和鋅等有害物質。現有的解決方案雖有成效，但往往成本高昂且為一次性使用。然而，美國西北大學（Northwestern University）的科學家們設計出一種特殊海綿，它能吸附汙染物，並在需要時釋放它們，提供了一種可重複使用且具成本效益的替代方案。

這種海綿塗有能吸引汙染物的奈米粒子，可捕捉鋅、銅等金屬以及磷酸鹽。先前的版本也曾成功從水中去除鉛、微塑膠和油汙。透過調整pH值，海綿可以釋放所捕捉的物質，使回收珍貴資源成為可能，而非僅僅將它們棄置。

今日（2月5日）即將發表於美國化學學會期刊《環境科學與技術：水》（Environmental Science & Technology Water）的一篇論文中，研究人員定義了一種方法，可針對芝加哥特定的汙染物量身定製該平臺，並有選擇性地釋放它們，讓那些通常需從礦中開採的資源有了二次利用的潛力。

該研究的主要研究者維奈亞克・德拉維德（Vinayak Dravid）表示，這項技術既可以作為通用吸附劑，也可以針對特定汙染物群，如金屬、塑膠或營養物質進行定製。德拉維德是西北大學麥考密克工程學院材料科學與工程系的亞伯拉罕・哈里斯教授，也是保拉・M・特里嫩斯永續與能源研究所的教職員。他還是西北大學原子與奈米尺度表徵中心（NUANCE）以及軟性與混合奈米技術實驗資源中心（SHyNE）的創始主任，同時擔任國際奈米技術研究所全球計畫的副主任。

該海綿平臺的第一版由聚氨酯製成，塗有一種吸油拒水的物質。最新版本則是高度親水的纖維素海綿，塗有針對其他汙染物定製的粒子。海綿平臺之所以如此有效，是因為其孔隙提供了大量汙染物可以附著的表面積。

德拉維德有時會將這項技術稱為「瑞士刀」，因其多功能性和可重複使用的特性。他創立了西北大學的新創公司珊瑚創新（Coral Innovations，前稱MFNS - Tech），開始將這種基於海綿的技術商業化，用於環境修復。

雨水處理裝置製造商StormTrap, LLC瞭解到該平臺後，與研究團隊接洽，詢問三種對芝加哥影響重大的特定汙染物。StormTrap的代表希望在其產品組閤中加入吸附材料，並詢問德拉維德能否將汙染物濃度降低到無法檢測的程度。

美國環境保護署根據人類健康設定礦物質含量標準，有時這些標準高於從環境角度考慮的安全量。通常，在預防藻華和其他環境影響時，需要更低的濃度，而飲用水限制一般設定在百萬分率範圍。

開發捕捉銅、鋅和磷酸鹽的平臺相對容易，但隨後，德拉維德研究團隊的博士生凱利・馬圖謝夫斯基（Kelly Matuszewski），也是論文的第一作者，被要求找出回收這些資源的方法。隨著礦山中磷酸鹽和金屬儲量的減少，這第二步變得至關重要。馬圖謝夫斯基表示：「我們不能只是把這些礦物質沖進下水道，我們需要了解它們的相互作用，並找到實際利用它們的方法。」

馬圖謝夫斯基發現，透過降低pH值，金屬會從海綿中流出。去除銅和鋅後，再提高pH值，磷酸鹽就會從海綿上脫落。她發現，即使經過五次收集和去除礦物質的迴圈，海綿的效果依然良好，並能提供汙染物含量無法檢測到的水。

馬圖謝夫斯基是「FoundHer Spotlight」比賽的決賽入圍者，這是一項由西北大學奎裡創新實驗室（Querrey inQbation Lab）為早期職業女性科學家舉辦的比賽。她將於3月5日向西北大學婦女委員會進行展示，與其他七位研究人員競爭。

與StormTrap, LLC的合作使研究團隊能夠評估該技術的有效性，並迅速從實驗室轉向產業應用。在現實場景中使用該平臺將是重要的下一步，因為馬圖謝夫斯基此前是在每種汙染物濃度相對相同的受控環境中工作。下一階段將幫助他們確定海綿能容納的礦物質量，並使他們能夠與西北大學其他致力於創造更清潔水道的研究人員合作。

論文參考：《沖洗、回收、重複：利用海綿奈米複合材料透過pH值輔助選擇性提取磷酸鹽和金屬》（Rinse, Recover, Repeat: pH - Assisted Selective Extraction of Phosphate and Metals with a Sponge Nanocomposite），作者凱利・E・馬圖謝夫斯基（Kelly E. Matuszewski）、本傑明・辛德爾（Benjamin Shindel）、維卡斯・南德瓦納（Vikas Nandwana）和維奈亞克・P・德拉維德（Vinayak P. Dravid），發表於2025年2月5日的《ACS ES&T Water》，DOI: 10.1021/acsestwater.4c01234。該論文由特里嫩斯和StormTrap資助，並基於由美國國家科學基金會支援的「五大湖水創新引擎」相關工作（贊助編號ITE - 2315268）。維奈亞克・德拉維德和西北大學在珊瑚創新公司擁有經濟利益（股權、版稅）。