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日本核废水排放引国际谴责！今日最新《Science》发人深省，水净化有望得到解决！

2021-04-25 09:54:27 27 656

研究背景

最近，日本政府正式决定将东京电力公司福岛第一核电站内储存的核废水排放入海。日本排污入海的决定一出，引发国际舆论哗然。核废水里面含有哪些物质？日本政府打算如何排放？排污入海会否对海洋环境及人体健康产生影响？这些问题成为了民众的核心关切。

事实上，核污水一经排放，日本太平洋沿岸海域将受到影响，特别是福岛县周边局部水域，之后污水还会污染东海。一家来自德国的海洋科学研究机构的计算结果显示，从排放之日起，57天内放射性物质就将扩散至太平洋大半区域，3年后美国和加拿大就将遭到核污染影响。根据东京电力公司数据，核废水中包含63种放射性物质。东京电力公司表示，经过处理，核废水中的绝大部分放射性元素都可以清除，但是“氚”没有办法彻底清除，到时会将核废水中的氚浓度稀释至日本国家标准的1/40，是国际卫生组织设定饮用水标准的1/7，不会对海洋造成污染。不过，截至2020年8月，经“多核素去除装置（ALPS）”设备处理后的73%的核废水仍含有超标的放射性元素，需要进行二次处理。日本这种极其不负责任的做法将对水资源和人类的健康造成严重破坏。

中新社联合国4月15日电三位联合国人权专家15日发表联合声明，对日本将福岛核电站的核废水排放到海洋的决定“深感失望”，指出此举可能影响太平洋地区数百万人。

水资源问题一直是我们关注的焦点，因为这与我们的健康密切相关，随着经济的发展和人口的增加，人类对水资源的需求不断增加，再加上存在对水资源的不合理开采和利用，很多国家和地区出现不同程度的缺水问题，这种现象称为水资源短缺。水资源短缺主要分为两个方面：资源性缺水和水质性缺水，资源型缺水主要是由于水资源分布的地域性差异性导致的局部区域水源分布较少而引起的缺水；水质性缺水则是由于区域内水资源的物理形态或水质恶化导致水资源无法利用引起的缺水，水质性缺水往往发生在丰水区。

解决水资源短缺问题，目前看来最有前景的解决办法是开发利用某些不可用水。比如海水淡化，地下水的开发和采集，以及两极冰川的利用等。其实，地球上水资源的量是很足够的，我们所说的水资源短缺仅仅是指淡水的，或者说可随意利用的水资源稀缺。所以，变不可用水为可用水是一大方法。

农业、能源、工业和市政部门对水的需求不断扩大，加上自然淡水资源有限，因此需要快速开发技术，从替代来源获取清洁水。非传统水源，如废水、微咸水或海水，可以在全球范围内提供丰富的水，但这些复杂的溶液含有高盐浓度和痕量有毒离子(如重金属和含氧离子)，这些离子因水源的位置和类型而异。与此同时，非传统水源通常含有高价值的离子(例如，海水中的铀酰和废水中的贵金属和营养物)，但目前的技术缺乏经济高效的提取所需的效率和选择性。电渗析、膜电容去离子和反渗透是用于从水中去除离子的最常见的基于膜的技术。然而，这些方法不能选择性地分离单独的溶质，有毒离子反而随着浓盐水溶液返回到环境中。因此，开发对水脱盐或从水中回收单个离子或分子具有显著改善的选择性的膜技术被认为是分离工业中最重要的目标之一。

吸附膜是一种新兴的材料，与传统膜相比，在许多分离领域表现出更好的性能，包括水净化。然而，这些材料在容量、选择性和可再生性方面需要改进，以使其能够大规模使用，这目前也受到大多数吸附膜有限的结构和化学可调性的阻碍。因此，寻求开发一种高度模块化的吸附膜平台，用于多功能水净化应用十分重要。

研究成果

当今，需要能够有效净化非传统水源的技术来满足全球对清洁水日益增长的需求。水处理厂通常需要一系列昂贵的分离装置来实现脱盐和去除有毒的痕量污染物，如重金属和硼。为解决这一难题，今日，加州大学伯克利分校Jeffrey R. Long教授课题组报告了一系列稳固、优异选择性和可调的吸附膜，其特征是嵌入离子交换聚合物中的多孔芳香骨架(PAF)纳米粒子，并证明了它们在称为离子捕获电渗析的高效一步分离策略中的应用。该过程使用带有吸附膜的电渗析配置来同时脱盐复杂的水源和捕获不同的目标溶质，而竞争离子的捕获可忽略不计。这种方法适用于使用吸附膜的高效性和选择性多功能分离的开发。相关研究工作以“Ion-capture electrodialysis using multifunctional adsorptive membranes”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。

图文速递

图1. 复合膜的设计及其在离子捕获电渗析中的应用

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图2. 嵌入PAF离子交换膜的性能

作者提出了一类吸附膜的特点是离子选择性PAF纳米粒子混合到离子交换膜。给水溶液中的目标离子(Hg²⁺、C u²⁺和Fe³⁺)被这些嵌入吸附剂的膜选择性捕获，而竞争离子(如钠离子和氯离子)自由渗透(图1C)。该工艺允许水的脱盐和解毒、有毒或高价值目标离子的回收以及在有效的一步工艺中产生无毒盐水流。这份概念验证报告侧重于各种阳离子和中性物质的选择性捕获，但该概念可以扩展到构建更复杂的分离方案，以同时捕获目标阳离子和阴离子。

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图3不同水源的IC-ED (ion-capture electrodialysis 离子捕获电渗析)

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图4 调节膜以选择性回收各种目标溶质

为了测试IC-ED方法捕获不同目标离子的通用性，作者还制备了嵌入PAF-1-SMe或PAF1-ET颗粒的sPSF膜，它们分别对Cu²⁺和Fe³⁺具有选择性。值得注意的是，所得复合膜是光学透明的、柔性的和可分散的，同时还表现出聚合物基质相容性。在离子色谱-电化学装置中测试了含有20wt % PAF-1-SMe或PAF-1-ET的复合膜，在0.1 M HEPES缓冲液中分别从含6 ppm Cu²⁺或2.3 ppm Fe³⁺的进料溶液中捕获Cu²⁺或Fe³⁺。每种进料溶液中的目标离子浓度被膜降低到低于用电感耦合等离子体发射光谱法检测的水平，没有渗透到接收溶液中，并且膜同时实现其进料的> 96%至99%脱盐(图4，A和B)。如预期的那样，当使用纯sPSF膜时，获得了可忽略的目标离子捕获。

结论与展望

在这项研究中，作者描述了通过将PAF纳米粒子结合到离子交换膜中来制造坚固的、可调的吸附膜的通用方法。这种一步法的高效率与传统的强化水处理方法形成鲜明对比，后者需要多个步骤才能获得类似的结果。

作者还指出，该技术应更广泛地适用于各种吸附膜和各种规模的复杂水流的净化，如缺乏处理受污染地下水的必要基础设施的偏远地区，或位于核废料处理场附近处理受放射性核素污染的废水的海水淡化厂。为了实现这些更复杂的分离，可以设想设计以嵌入吸附剂的特殊组合为特征的膜，包括各种杂化和无机材料的纳米粒子。这次日本排放核废水事件，再次引发全球关注水质问题，尽管日本方面称氚含量非常低时不会对人类健康构成威胁，但科学家警告说，水中的氚会与其他分子进行有机结合，通过食物链转移，从而影响植物、鱼类和人类。氚的放射性危害被低估，并可能对人类和环境构成持续100多年的风险。

工业发展伴随的是对环境的破坏，但科学家们也在不断研究探索出解决办法，今天的这篇science给了我们很多思考，社会发展到今天，全球大多数国家已经慢慢从对GDP的关注转移到对人们身体和精神健康上来，期待未来在水净化方面取得更多突破，让全世界居民安心用水，健康生活，拥抱大自然！

文章链接：https://science.sciencemag.org/content/372/6539/296

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