汞、铅及镉重金属离子具有较强的生物毒性，对生态环境和人体健康有极大的安全隐患。如何对其进行绿色、高效、低成本治理及环境介质提取受到国内外环保工作者的普遍关注，也是矿山水环境保护和工业重金属废水污染治理的焦点与难点。

图1 重金属滤材的制备

近日，环测学院环境科学与工程系教师李鹏，联合麻省理工学院李巨教授，东华大学朱美芳院士、徐桂银教授，研发了一种聚丙烯腈硫化聚合物纳米金属离子吸附材料，并能稳定地将其搭载于三聚氰胺泡沫海绵表面，制备汞、铅、铜及镉选择性吸附滤膜，利用路易斯软碱性-C-S-S-C、-C-N、-C=N吸附水体中的路易斯软酸金属离子，实现废水中Hg²⁺、Pb²⁺、Cu²⁺、Cd²⁺四种重金属离子的批量化截留处理。此外，PAN-S为导电纳米颗粒，重金属离子吸附后的滤膜可在电场极化作用下氧化断键解吸实现吸附金属离子的脱附与再生。该滤膜材料金属离子吸附效率高，制备成本低，可重复利用，实现了Hg²⁺、Pb²⁺、Cu²⁺、Cd²⁺重金属离子的资源化回收。研究主要内容包括：

合成方法：利用便捷的涂布法（dip-coating），将硫化PAN颗粒整合至三聚氰胺海绵中。电镜图片显示，硫化PAN颗粒填充在三聚氰胺网格的孔隙中。

过滤原理：硫化PAN的C—N，C=N，C—S—S—C基团表现出软碱性质。据软硬酸规则（HSAB），这些软碱基团与Hg²⁺、Pb²⁺、Cu²⁺、Cd²⁺软酸离子作用力强，能通过静电吸引束缚重金属离子，完成水体净化（图2a、2b）。

图2（a-c）硫化PAN滤材净水过程、硫化PAN的分子结构示意图及四种重金属离子的移除效率

过滤效果：三次循环吸附后，废水中的Hg²⁺和Pb²⁺仍可完全移除，Cu²⁺和Cd²⁺的移除率近100%。

可回收性：吸附上重金属离子的硫化PAN滤材可通过施加正电压将吸附的金属离子脱离滤材表面（图3a）。在电场驱动下，这些金属离子朝对电极迁移，并在对电极上以单质形式沉积下来（图3d）。该过程同时完成滤材净化与重金属回收，一举两得。再生6次的电极每次对Hg²⁺的吸附效果未表现出明显降低（图3b）。虽然溶液中检测到些许从硫化PAN滤材上溶出的SO₃^2-与SO₄^2-（图3c），但水体中的硫含量仍在安全浓度范围内。

图3 硫化PAN滤材的“重生”

本工作报道的滤材可以通过太阳能等清洁能源转换而来的电能完成回收利用，不断为居民区提供重金属含量极低的安全饮用水。整个装置的造价与电能成本总计仅30.75美元。Hg²⁺、Pb²⁺、Cu²⁺、Cd²⁺处理成本分别为0.17、0.47、0.94、0.94美元/吨。处理成本与现行技术相当甚至更低，并且整个过程更为环保。

图4 滤膜材料地表重金属废水净化与滤材再生循环预期模式示意图

该研究成果以中国矿业大学为第一单位、李鹏为第一作者发表于国际材料与环境类权威期刊Advanced Fluctional Materials（IF=18.81）。