新型MIT装置可检测水中的痕量重金属污染物

麻省理工学院的研究生Emily Hanhauser展示了一种新设备,该设备可以简化对微量金属污染物的水监控物流,尤其是在资源有限的地区。

由于人类活动(例如使用农药)以及最近对电子废物的处置不足,铅,砷和其他重金属在世界各地的水系统中越来越多地出现。长期暴露于甚至十亿分之几的痕量水平的这些污染物,可能导致孕妇,儿童和其他脆弱人群的健康状况恶化。

但是,监测重金属中的水是一项艰巨的任务,特别是对于资源匮乏的地区,在该地区,工人必须收集多升水并进行化学防腐,然后才能将样品运输到遥远的实验室进行分析。

为了简化监测过程,麻省理工学院的研究人员开发了一种称为SEPSTAT的方法,用于固相萃取,保存,存储,运输和分析痕量污染物。该方法基于团队开发的小型,用户友好的设备,该设备吸收水中的痕量污染物并将其保持在干燥状态,因此可以轻松地将样品滴入邮件中并运送到实验室进行进一步分析。

麻省理工学院开发的类似搅拌器的设备,内衬小口袋,里面装有金色的聚合物小珠,可以装在典型的采样瓶中,并且可以旋转以拾取水中的任何金属污染物。

该设备类似于小型柔性螺旋桨或打蛋器,可安装在典型的采样瓶内。当在瓶子内旋转几分钟时,该仪器可以吸收水样中的大多数痕量污染物。用户可以风干设备或用纸将其弄脏,然后将其弄平并将其邮寄到信封中,送至实验室,科学家可以将其浸入酸溶液中以去除污染物并将其收集起来以作进一步处理。在实验室中进行分析。

麻省理工学院机械工程系的研究生,设备设计师艾米丽·汉豪瑟(Emily Hanhauser)说:“我们最初设计的是在印度使用的,但是它使我了解到了我们自己的水问题和在美国的痕量污染物。“例如,某个听说过密歇根州弗林特市水危机的人,现在想知道他们的水里有什么东西,也许有一天可能会在网上订购类似的东西,自己进行测试,然后将其发送到实验室。”

在浸入金属污染的水中之前(左)和之后(右),可以看到MIT小组的新型水监测装置。

Hanhauser和她的同事们最近在《环境科学与技术》杂志上发表了他们的研究结果。她的麻省理工学院合著者是塔塔技术与设计中心和麻省理工学院斯隆管理学院的Chintan Vaishnav;机械工程副教授约翰·哈特(John Hart);机械工程学教授,教育学系副主任Rohit Karnik以及波士顿大学的Michael Bono。

从茶包到打蛋器

该小组最初着手了解印度的水监测基础设施。全国各地地方实验室的工人收集了数百万个水样,这些水样具备进行基本水质分析的能力。但是,为了分析痕量污染物,这些本地实验室的工人需要化学保存大量的水样,并将船只(通常超过数百公里)运输到州府首都,中央实验室拥有可以正确分析痕量污染物的设施。

汉豪斯说:“如果您要收集大量这些样品并试图将它们带到实验室,这将是一项繁重的工作,并且存在很大的运输障碍。”

新的MIT设备可以长时间保存已拾取的任何金属污染物。可以将设备弄平并邮寄到实验室,在那里可以进一步分析污染物。

为了简化水监控的后勤工作,她和她的同事们想知道他们是否可以绕过运输水的需求,而以干燥状态自己运输污染物。

他们最终从干血点中发现了灵感,这种简单的技术涉及到刺破一个人的手指并在纤维素卡上收集一滴血。干燥后,血液中的化学物质稳定并可以保存,这些卡可以邮寄以进行进一步分析,从而避免了保存和运送大量血液的需要。

该团队开始考虑类似的重金属收集系统,并仔细研究了文献中既可以吸收水中痕量污染物,又可以在干燥时保持稳定的材料。

他们最终定居在离子交换树脂上,这是一类以几百微米宽的小的聚合物珠粒形式出现的材料。这些珠含有与氢离子结合的分子组。当浸入水中时,氢会脱落,并且可以与另一种离子(例如重金属阳离子)交换,从而将氢取代在磁珠上。这样,珠子可以从水中吸收重金属和其他痕量污染物。

然后,研究人员寻找将珠子浸入水中的方法,并首先考虑了类似茶袋的设计。他们在网状的口袋里塞满了珠子,然后将它们浸入水中,掺入重金属。但是,他们发现,如果将珠子简单地放在茶袋中,则珠子要花几天的时间才能充分吸收污染物。当他们在周围搅动茶袋时,湍流在某种程度上加速了该过程,但是对于装在一个大茶袋中的珠子来说,吸收污染物仍然花费了太长时间。

最终,Hanhauser发现手持式搅拌设计最适合在合理的时间内吸收水中的金属污染物。该设备是由聚合物网制成的,该聚合物网被切成几个螺旋桨状的面板。在每个面板中,Hanhauser手工缝制了小口袋,并在其中装满了聚合物小珠。然后,她将每块面板缝在一根聚合物棒上,类似于打蛋器或打蛋器。

测试水域

研究人员制造了几种设备,然后在包括查尔斯河和神秘河在内的波士顿周围收集的天然水样本上对其进行了测试。他们在样品中掺入了各种重金属污染物,例如铅,铜,镍和镉,然后将设备插入每个样品的瓶中,并用手旋转以捕获和吸收污染物。然后,他们将设备放在柜台上晾干过夜。

为了从设备中回收污染物,他们将设备浸入盐酸中。溶液中的氢有效地敲除附着在聚合物珠粒上的所有离子,包括重金属,然后可以收集这些离子并使用诸如质谱仪之类的仪器进行分析。

研究人员发现,通过在水样品中搅拌该设备,该设备能够吸收和保留每个样品中约94%的金属污染物。在他们最近的试验中,他们发现即使将设备在干燥状态下保存长达两年,他们仍然可以检测污染物并预测原始水样中的污染物浓度,其准确度范围为10%到20%。

研究人员认为,该设备的价格不到2美元,可以促进将样品运送到中央实验室,收集和保存样品以供将来分析,以及以集中方式获取水质数据,从而有助于确定污染源,指导政策并改善水质管理。

研究人员现在已经与印度的一家公司合作,希望将该设备商业化。最近,他们的项目一起被选为印度政府根据“阿塔尔新印度挑战赛”计划资助的950多个提案中的26个提案之一。

参考:Emily Hanhauser,Michael S.Bono Jr.,Chintan Vaishnav,A。John Hart和Rohit Karnik的“固相萃取,保存,存储,运输和分析痕量污染物以监测重金属的水质”,2020年2月18日,环境科学与技术。DOI:
10.1021 / acs.est.9b04695

这项研究部分由Abdul Latif Jameel水和食品系统实验室,麻省理工学院塔塔中心和国家科学基金会资助。

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