水對(duì)所有生物都是必不可少的，從小的微生物到大的樹(shù)木。聯(lián)合國(guó)估計(jì)，美國(guó)普通人每天使用590升水進(jìn)行洗澡和飲用等活動(dòng)。但在非洲馬里，由于缺少獲得清潔水和生活方式等因素，每天的用水量只有11升。
鑒于水對(duì)衛(wèi)生設(shè)施和維持生命方面的重要性，聯(lián)合國(guó)已將水和衛(wèi)生設(shè)施作為可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)之一。
然而，對(duì)于全世界數(shù)十億人，特別是發(fā)展中地區(qū)的人們來(lái)說(shuō)，缺乏清潔飲用水、個(gè)人和環(huán)境衛(wèi)生已經(jīng)是一個(gè)緊迫的全球問(wèn)題。在人口稠密、收集和儲(chǔ)存有限雨水的國(guó)家，確保可持續(xù)供水是一個(gè)優(yōu)先重要的事情。氣候變化和污染也使清潔水的供應(yīng)更加困難。
為了應(yīng)對(duì)世界各地社區(qū)和國(guó)家面臨的水資源挑戰(zhàn)，新加坡南洋理工大學(xué)（NTU Singapore）的研究人員正在開(kāi)發(fā)凈化水以及有效處理廢水的創(chuàng)新方法。
重金屬過(guò)濾器
重金屬對(duì)水的污染是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。由于采礦和工業(yè)活動(dòng)，河流和地下水等水源越來(lái)越容易受到這種污染的影響。來(lái)自新加坡南洋理工大學(xué)和瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETHZ）的科學(xué)家利用花生油和葵花籽油生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的植物廢料，創(chuàng)造了一種低成本的方法來(lái)過(guò)濾水中的有毒重金屬，使其符合國(guó)際飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
開(kāi)發(fā)由植物廢料制成的重金屬過(guò)濾器的科學(xué)家。（左起）博士生 宋偉龍;阿里·米塞雷斯教授;和南洋理工大學(xué)客座教授拉斐爾·梅贊加 。
該研究由NTU材料科學(xué)與工程學(xué)院和生物科學(xué)學(xué)院的Ali Miserez教授以及NTU健康科學(xué)與技術(shù)系的訪(fǎng)問(wèn)教授Raffaele Mezzenga領(lǐng)導(dǎo)。該團(tuán)隊(duì)首先從油籽粕中提取蛋白質(zhì)，油籽粕是植物油生產(chǎn)過(guò)程中留下的富含蛋白質(zhì)的副產(chǎn)品，并將它們轉(zhuǎn)化為納米大小的淀粉樣纖維，這是由緊密纏繞的蛋白質(zhì)組成的繩狀結(jié)構(gòu)。
然后，科學(xué)家們用這些原纖維和活性炭制作了一種混合膜。
淀粉樣纖維就像分子海綿一樣，在重金屬離子通過(guò)膜時(shí)將重金屬離子捕獲在水中，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為吸附。
根據(jù)NTU材料科學(xué)與工程學(xué)院的博士生Soon Wei Long的說(shuō)法，這是花生和向日葵蛋白的淀粉樣纖維首次用于凈化水。
研究人員發(fā)現(xiàn)，該膜可去除高達(dá)99.89%的重金屬。在測(cè)試的三種金屬中，過(guò)濾器在去除鉛和鉑方面最有效，其次是鉻。
研究人員估計(jì)，需要16公斤葵花籽蛋白來(lái)過(guò)濾被十億分之400（ppb）鉛污染的奧運(yùn)會(huì)規(guī)模的游泳池。
“與傳統(tǒng)的過(guò)濾方法不同，我們的蛋白質(zhì)膜是通過(guò)綠色和可持續(xù)的工藝制造的，幾乎不需要電力運(yùn)行，這使得它們可以在世界各地使用，特別是在欠發(fā)達(dá)的國(guó)家，”Miserez教授說(shuō)。
科學(xué)家們目前正在與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的歐洲水過(guò)濾衍生公司BluAct一起探索其膜的商業(yè)應(yīng)用，并且正在秘魯，斯里蘭卡和印度對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行試點(diǎn)測(cè)試，這些國(guó)家的飲用水供應(yīng)通常面臨重金屬污染。
將花生油和葵花籽油生產(chǎn)的植物廢物轉(zhuǎn)化為可以去除水中重金屬的膜的過(guò)程 。
去除砷
來(lái)自新加坡南洋理工大學(xué)和尼泊爾的研究人員建立了一個(gè)生物砂過(guò)濾系統(tǒng)，可以去除地下水中發(fā)現(xiàn)的有毒砷，為尼泊爾的兒童及其社區(qū)提供安全的飲用水。該項(xiàng)目得到了Lien環(huán)境獎(jiǎng)學(xué)金（LEF）的支持，這是一個(gè)非營(yíng)利性計(jì)劃，使來(lái)自選定的南亞和東南亞國(guó)家的學(xué)者和研究人員能夠應(yīng)對(duì)本國(guó)水污染的挑戰(zhàn)。
清潔水設(shè)施位于尼泊爾地下水中砷含量較高的Newalparasi地區(qū)，由三個(gè)按降序排列的1，000升水箱組成。沉淀池放置在最高的支架上。在這里，懸浮在水中的顆粒被允許沉淀出來(lái)。接下來(lái)，將水轉(zhuǎn)移到中間水箱，在那里使用鐵釘、磚屑和沙子的組合進(jìn)行過(guò)濾。水中的砷被釘子中的鐵吸引并從水中去除。然后將干凈的水儲(chǔ)存在第三個(gè)也是最低的水箱中，用戶(hù)可以通過(guò)水龍頭輕松取用。
南洋環(huán)境與水研究所（NEWRI）執(zhí)行主任Shane Snyder教授表示，該系統(tǒng)的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)使其在不需要專(zhuān)業(yè)技術(shù)支持的情況下長(zhǎng)期維護(hù)更具可持續(xù)性。NEWRI通過(guò)其慈善機(jī)構(gòu)NEWRI社區(qū)發(fā)展（NEWRIComm）為水設(shè)施建設(shè)提供了工程和技術(shù)支持。
此設(shè)施預(yù)計(jì)將使該地區(qū)Shree Janta中學(xué)的600多名學(xué)生和教職員工受益。
生物砂過(guò)濾系統(tǒng)由三個(gè)儲(chǔ)罐組成。
脫鹽膜
在像新加坡這樣土地稀缺的國(guó)家，獲得足夠的清潔和飲用水也是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)闆](méi)有足夠的空間建造水庫(kù)來(lái)收集和儲(chǔ)存水。
通過(guò)去除海水中的鹽分，海水淡化是滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的飲用水需求的重要工具。它涉及一個(gè)稱(chēng)為反滲透的過(guò)程，其中使用高壓迫使海水通過(guò)部分可滲透的膜，將水分子與鹽等污染物分離。
然而，這個(gè)過(guò)程需要大量的能量，這些能量是通過(guò)燃燒化石燃料產(chǎn)生的。
為了提高海水淡化的能源效率，NTU新加坡的NEWRI正在與新加坡國(guó)家水務(wù)局PUB合作，測(cè)試減少海水淡化過(guò)程中能源使用的新材料膜。
NTU新瑞區(qū)膜技術(shù)中心主任王榮教授（左）和該中心的研究員賴(lài)國(guó)成博士拿著一卷水通道蛋白膜和制造膜的機(jī)器。
領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的NIWRI新加坡膜技術(shù)中心主任王榮教授說(shuō)：“與用于海水淡化的商用膜相比，這些新膜對(duì)水的滲透性提高了40-50%，因此它們需要更少的能量來(lái)去除鹽分以獲得相同數(shù)量的純凈飲用水。使用更少的能源有助于減少碳排放，這對(duì)于氣候變化的擔(dān)憂(yōu)非常重要。
王教授和她的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為水通道蛋白的水通道蛋白膜。這些蛋白質(zhì)使水能夠迅速輸送到植物和動(dòng)物細(xì)胞中，顯然改善了膜對(duì)水的滲透性。他們開(kāi)發(fā)的另一種膜使用生物分子，也可以提高其透水性。
由于水分子可以更容易地通過(guò)這些膜，因此在海水淡化過(guò)程中將水泵壓入膜所需的能量比傳統(tǒng)海水淡化膜低 10%。
基于水通道蛋白的膜和用于測(cè)試其性能的設(shè)備。
3D打印膜
隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，人們?cè)絹?lái)越需要在排放之前處理由此產(chǎn)生的廢水，并盡量減少其造成的污染。
來(lái)自新加坡南洋理工大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院的孫達(dá)倫副教授開(kāi)發(fā)了一種膜，可以比現(xiàn)有膜更快地過(guò)濾廢水。
南洋理工大學(xué)新加坡副教授孫達(dá)倫（左）和Nanosun聯(lián)合創(chuàng)始人黃安濟(jì)
該技術(shù)已由NTU新加坡分拆公司Nanosun商業(yè)化，該公司旨在開(kāi)發(fā)和部署膜解決方案，以解決廢水污染的挑戰(zhàn)。
與使用傳統(tǒng)技術(shù)制造的傳統(tǒng)膜相比，Nanosun的膜是通過(guò)3D打印數(shù)百萬(wàn)種聚合物納米纖維制成的。
這些纖維，每根比一根頭發(fā)還細(xì)五倍，彼此分層并融合成薄片形成膜。
膜的結(jié)構(gòu)增加了其捕獲或排斥污染物的表面積，同時(shí)允許水分子通過(guò)的速度比傳統(tǒng)聚合物膜快五倍。
與傳統(tǒng)膜相比，制造過(guò)程的勞動(dòng)強(qiáng)度也更低，因?yàn)樗侨詣?dòng)的，需要的人力減少了30倍。
Nanosun已經(jīng)投標(biāo)并中標(biāo)在中國(guó)，印度尼西亞，菲律賓，新加坡和泰國(guó)部署的項(xiàng)目，用于處理工業(yè)和城市廢水。迄今為止，該公司估計(jì)，自部署其解決方案以來(lái)，累計(jì)處理了超過(guò)1800萬(wàn)噸水。
利用細(xì)菌去除廢水中的磷
全球變暖導(dǎo)致氣溫上升，預(yù)計(jì)將阻礙從廢水中去除磷的過(guò)程，但NTU研究人員已經(jīng)找到了一種用細(xì)菌來(lái)的解決方法。
環(huán)境中來(lái)自未經(jīng)處理的高含量磷廢水會(huì)使藻類(lèi)快速生長(zhǎng)。它們會(huì)導(dǎo)致水中的氧氣耗盡，并可能釋放出高含量的毒素，這兩者都會(huì)殺死魚(yú)類(lèi)等水生生物。
然而，目前在廢水排放前去除廢水中磷的生物方法在25°C以上的溫度下可能無(wú)效。
新加坡南洋理工大學(xué)和新加坡國(guó)立大學(xué)的新加坡環(huán)境生命科學(xué)工程中心（SCELSE）科學(xué)家使用累積桿菌念珠菌開(kāi)發(fā)了一種在25°C以上溫度下工作的廢水中去除磷的方法。
在廢水處理廠中發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌可以從廢水中吸收超出生長(zhǎng)所需的磷，并將其作為聚磷酸鹽顆粒儲(chǔ)存在細(xì)胞中。
SCELSE副中心主任Stefan Wuertz教授與進(jìn)行細(xì)菌和廢水實(shí)驗(yàn)的生物反應(yīng)器一起。
在實(shí)驗(yàn)中，由SCELSE副中心主任NTU教授Stefan Wuertz領(lǐng)導(dǎo)的研究人員在保持中性pH和30-35°C溫度的反應(yīng)器中培養(yǎng)細(xì)菌。六個(gè)小時(shí)后，細(xì)菌從廢水中去除了大部分磷，這種情況持續(xù)了300天。
“我們的解決方案不僅可以幫助面向未來(lái)的生物磷去除，還可以?xún)?chǔ)存元素，然后將其重新引入農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，”來(lái)自新加坡南洋理工大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院的Wuertz教授說(shuō)。
新加坡國(guó)家水務(wù)局PUB也參與了這項(xiàng)研究，它將在未來(lái)水回收廠的設(shè)計(jì)中考慮這項(xiàng)研究的結(jié)果。
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