河流、湖泊和其他水道中的磷酸盐污染已达到危险水平，导致藻类大量繁殖，导致鱼类和水生植物缺氧。与此同时，世界各地的农民正在接受磷肥储备减少的问题，而磷肥储备却养活了世界一半的粮食供应。
受到芝加哥附近许多水体的启发，西北大学领导的一个团队开发了一种方法，可以反复去除和再利用受污染水域中的磷酸盐。研究人员将这一发展比作污染修复的“瑞士军刀”，因为他们调整膜以吸收并随后释放其他污染物。
该研究发表在美国国家科学院院刊上。
磷是世界粮食系统和地球上所有生命的基础。地球上的每一个生物都需要它：磷存在于细胞膜、DNA 支架和我们的骨骼中。尽管在大气中可以找到氧和氮等其他关键元素，但磷没有类似物。一小部分可用的磷来自地壳，地壳需要数千甚至数百万年的时间才能风化。而我们的矿山正在耗尽。
2021 年，朱莉娅·罗森 (Julia Rosen) 在《大西洋》(The Atlantic) 发表的一篇文章引用了艾萨克·阿西莫夫 (Isaac Asimov) 1939 年的文章，其中这位美国作家和化学家将磷称为“生命的瓶颈”。
鉴于这种不可再生自然资源的短缺，具有讽刺意味的是，我们的许多湖泊正在遭受一种称为富营养化的过程，当过多的营养物质进入天然水源时，就会发生这种过程。随着磷酸盐和其他矿物质的积累，水生植物和藻类变得过于密集，耗尽水中的氧气并最终杀死水生生物。
“我们过去经常重复使用磷酸盐，”该论文的第一作者 Stephanie Ribet 说。“现在我们只是把它从地里拉出来，用一次，用完后冲进水源。因此，这是一个污染问题、一个可持续性问题和一个循环经济问题。”
传统上，生态学家和工程师已经制定了策略，通过消除水源中的磷酸盐来解决围绕磷酸盐日益严重的环境和公共健康问题。直到最近，重点才从去除磷酸盐转移到回收磷酸盐。
“人们总能在实验室环境中做某些事情，”该研究的通讯作者 Vinayak Dravid 说。“但是在扩展方面有一个维恩图，你需要能够扩展技术，你希望它有效并且你希望它负担得起。之前这三者的交叉点什么都没有，但我们的海绵似乎是一个满足所有这些标准的平台。”
Dravid 是西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程的亚伯拉罕哈里斯教授，西北大学原子和纳米尺度表征实验中心 (NUANCE) 的创始主任，以及软和混合纳米技术实验资源 (SHyNE) 的主任。Dravid 还担任西北大学国际纳米技术研究所全球计划的负责人。里贝特是博士。Dravid 实验室的学生和论文的第一作者。
该团队的磷酸盐消除和回收轻量级 (PEARL) 膜是一种多孔的柔性基材(例如带涂层的海绵、布或纤维)，可选择性地隔离污水中高达 99% 的磷酸盐离子。PEARL 膜涂有与磷酸盐结合的纳米结构，可以通过控制 pH 值来调节 pH 值以吸收或释放营养物质，从而允许磷酸盐回收和膜在许多循环中重复使用。
目前去除磷酸盐的方法是基于复杂、冗长、多步骤的方法。它们中的大多数在去除过程中也不会回收磷酸盐，最终会产生大量的物理废物。PEARL 膜提供了一种简单的一步法来去除磷酸盐，同时还能有效地回收磷酸盐。它也是可重复使用的，不会产生物理废物。
研究人员使用芝加哥水回收区的样本，通过增加真实水样的复杂性来测试他们的理论。
“我们经常将其称为'纳米级解决方案'，解决十亿吨问题，”德拉维德说。“在许多方面，我们研究的纳米级相互作用对宏观修复有影响。”
该团队已经证明，基于海绵的方法在从毫克到千克的范围内是有效的，这表明有望进一步扩大规模。
这项研究建立在同一团队的前一项开发上——Dravid 小组成员、本研究的合著者 Vikas Nandwana 是第一作者——称为 OHM(亲油疏水多功能)海绵，使用相同的海绵平台有选择地去除和回收水中油污造成的油。通过修改膜中的纳米材料涂层，该团队计划接下来使用他们的“即插即用”式框架来追踪重金属。Ribet 还表示，通过应用具有定制亲和力的多种材料，可以同时解决多种污染物。
“这个水修复挑战离家很近，”里贝特说。“当谈到富营养化时，伊利湖西部盆地是您想到的主要地区之一，我从了解更多关于我们五大湖社区的水修复挑战中获得启发。”
