创新背景

水源中的重金属，如铅、镉、砷、钴和铬等，不仅对人类健康构成威胁，而且对环境也产生有害影响，西北大学的研究人员在寻找能够有效、经济和可重复使用的方法来解决这一问题，特别是如何从被污染的水中去除这些有害金属。

此外，这个项目也建立在Dravid以前的工作基础上，他的团队曾开发出高度多孔的海绵，用于各种环境修复方面，例如清理石油泄漏，然而，仅仅清理油泄漏是不够的，因为这些泄漏中还可能含有如汞、镉、硫和铅等有毒重金属，所以，除了去除油外，还需要考虑如何去除其他有毒物质。

这项研究还与重金属的回收和再利用有关，例如，钴是锂离子电池中的关键成分，但其开采既能量密集，又伴随着众多的环境和人类成本，如果能从水中回收这些稀有金属，这些金属可以被回收并重新用于制造电池等产品。

创新过程

研究团队首先利用了超薄纳米粒子涂层的海绵进行实验，经过多种不同类型的纳米粒子测试后，他们发现锰掺杂的针铁矿涂层效果最佳，这种纳米粒子不仅成本低廉、易于获取、对人体无毒，而且具有选择性修复重金属的特性。

接下来，团队合成了锰掺杂的针铁矿纳米粒子的浆液，并用这些浆液涂覆商用纤维素海绵，随后，他们用水冲洗涂层海绵，以去除任何松散的粒子，最后的涂层厚度仅为几十纳米。

海绵涂有超薄的纳米颗粒层

当这种涂层有纳米粒子的海绵被浸入被污染的水中时，它能有效地吸附铅离子，为了测试海绵的过滤效果，研究者们使用了一份含有超过1毫克/升铅的高度污染的自来水样本，在单次使用中，海绵成功地将铅过滤至低于可检测水平。

此外，使用海绵后，研究人员还能成功地回收金属，并多次重复使用海绵，为了回收被吸附的金属离子，团队使用轻度酸化的水冲洗海绵，使其释放吸附的离子，并准备好再次使用，虽然第一次使用后海绵的性能有所下降，但在随后的使用周期中，它仍能回收超过90%的离子。

作为研究的一部分，Dravid及其团队还为其他研究者建立了新的设计规则，帮助他们开发目标特定金属的工具，其中包括分析了不同纳米材料的吸附性能和特性。

最后，研究团队设想他们的海绵可以用于商业水过滤器、环境清洁或作为水回收和处理设施的额外步骤。

创新价值

公共健康的保障：重金属污染，尤其是铅污染，对人体健康构成巨大威胁，可以引发多种健康问题，如神经系统损伤、学习障碍和其他长期健康问题，该研究为人们提供了一个有效、便宜且容易使用的工具，可以去除水中的重金属，保障公众健康。

环境保护：随着工业的发展和城市化的加速，重金属污染变得越来越严重，这种新型海绵不仅可以清除水中的污染物，还可以多次重复使用，从而减少废物和进一步的污染。

金属资源的回收：除了去除有毒的重金属外，该技术还可以从水中回收稀缺的关键金属，如钴，这种金属在锂离子电池中广泛使用，但其开采带来了高昂的环境和人为成本，如果可以从水中有效地回收这些金属，它们就可以被再次用于制造电池和其他产品。

经济效益：相比目前的重金属处理方法，这种新型海绵技术可能会更经济、高效，此外，它还为关键金属的回收提供了新途径，有助于减少对这些金属的开采和相关的环境和社会成本。

推动相关研究：该研究还为其他科学家提供了一个新的研究平台，有助于进一步优化这种技术，并为其他应用领域开发新的纳米材料，通过建立新的设计规则和评估标准，该研究还为纳米材料领域提供了更多的标准化和规范化。

创新关键点

研究团队首先进行了证明性实验，测试了海绵在高度受污染的自来水样品上的性能，他们发现，经过一次使用，海绵可以将铅的浓度滤减到低于检测水平，研究者还成功地从使用过的海绵中回收了金属，并证明该海绵可以多次重复使用。此外，团队还探索了不同类型的纳米颗粒，并确定了锰掺杂的钝铁矿纳米颗粒作为涂层是最为有效的，他们制备了锰掺杂的钝铁矿纳米颗粒的浆液，然后用这些浆液涂覆了商用纤维素海绵，经过冲洗，这些涂层的厚度仅为几十纳米，当浸入受污染的水中时，这种涂层的海绵有效地吸附了铅离子。