高品相粉狀活性炭生產(chǎn)廠家功能性生物水凝膠在環(huán)境污染物去除中的應(yīng)用

　　高品相粉狀活性炭廠家功能性生物水凝膠在環(huán)境污染物去除中的應(yīng)用。成果簡(jiǎn)介：水污染和清潔水稀缺是全球環(huán)境面臨的重要問(wèn)題。從污水中消除有害的污染物對(duì)維持生態(tài)平衡和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。水凝膠是一種具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和高含水率的親水高分子材料。通過(guò)引入含氧，氮和硫官能團(tuán)和無(wú)機(jī)填料(石墨烯，粘土，碳納米管等)制成的生物基水凝膠具有獨(dú)特性物理化學(xué)性質(zhì)，它將通過(guò)靜電和氫鍵等作用對(duì)環(huán)境污染物表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附性能。近日，廣州大學(xué)蔡衛(wèi)權(quán)教授在《Journal of Materials Chemistry A》上發(fā)表了題為“Functional biobased hydrogels for the removal ofaqueous hazardous pollutants: current status,challenges, and future perspectives”的綜述文章。該論文總結(jié)了生物水凝膠功能化改性的方法，具體討論了含N、O、S官能團(tuán)和無(wú)機(jī)納米粒子改性的生物水凝膠在重金屬離子、染料、藥物和微污染物吸附方面的應(yīng)用。同時(shí)作者也對(duì)目前這一領(lǐng)域所面臨的困難提出了的獨(dú)到見(jiàn)解，為后續(xù)生物水凝膠的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)提供了思路。

　　圖文摘要

　　1.前言

　　水污染和潔凈水的缺乏是嚴(yán)重的全球環(huán)境問(wèn)題。

　　吸附法具有成本低、操作方便、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，是一種較好廢水處理方法。

　　水凝膠是一種具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和高含水率的親水高分子材料。以植物特別是木材納米材料和納米纖維素為原料制備的水凝膠具有高機(jī)械強(qiáng)度、各向異性、生物相容和細(xì)胞粘附等特性而被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用材料。開(kāi)發(fā)功能型水凝膠材料可以滿足其對(duì)環(huán)境污染物的去除要求。

　　圖1 典型生物水凝膠、其制備方法及在分離純化方面的應(yīng)用

　　2.廢水處理技術(shù)

　　吸附法被認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)、高效、操作簡(jiǎn)單的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)。

　　選擇合適的吸附材料能有效提高對(duì)吸附過(guò)程中的分離效能。理想的吸附材料具有高表面積和機(jī)械強(qiáng)度、多吸附位點(diǎn)數(shù)、容易獲得和可生物降解性等特性。

　　與無(wú)孔吸附劑相比，吸附質(zhì)能快速在3D多孔吸附劑中擴(kuò)散速度更快，縮短了表面吸附時(shí)間。另外，與傳統(tǒng)的納米材料相比，3D多孔材料具有更高的表面積和更高的吸附能力。

　　3.吸附材料

　　3.1典型的生物基吸附劑凝膠

　　生物材料為基礎(chǔ)的各種框架中的吸附劑，例如水凝膠，氣凝膠，膜，珠/樹(shù)脂，纖維和泡沫，廣泛用于廢水處理。

　　水凝膠是3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的，不溶于水的堅(jiān)韌的親水性聚合物材料。由于其較高的吸水能力，水凝膠可在內(nèi)部和外部水相之間交換水，因此可用于在污染水中運(yùn)輸溶質(zhì)分子。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，水凝膠可分為兩種類型：(i)通過(guò)交聯(lián)的共價(jià)鍵形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(穩(wěn)定的水凝膠)和(ii)通過(guò)次級(jí)相互作用形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(可逆的水凝膠)。

　　3.2生物水凝膠表面功能化改性

　　對(duì)于大規(guī)模分離和純化應(yīng)用，開(kāi)發(fā)對(duì)各種有害污染物具有高吸附能力和選擇性的生物基水凝膠具有重要意義。對(duì)水凝膠材料進(jìn)行改性可以滿足其對(duì)環(huán)境污染物的去除要求。

　　圖2 (A)CS/PEI微球的制備過(guò)程和(B)CNT/GO/SA水凝膠的形成的示意圖。

　　3.2.1 含氮官能團(tuán)改性

　　帶有含氮基團(tuán)(如–NH2，胺肟等)的生物基水凝膠是高效吸附劑。在酸性條件下含氮基團(tuán)具有良好的質(zhì)子化能力，通過(guò)靜電吸引和離子交換可吸附陰離子污染物。此外，N原子具有五個(gè)價(jià)電子，其孤對(duì)電子可與污染物相互作用。

　　常用的含氮改性官能團(tuán)有PEI、EDA、DETA、TETA、TEPA和DPA等。

　　圖3 (A)E /PEI水凝膠，(B)NFC/PEI水凝膠和氣凝膠制備示意圖，以及(C)NFC/PEI氣凝膠的SEM圖像。

　　3.2.2含氧和含硫官能團(tuán)改性

　　含氧官能團(tuán)(如–OH，–COOH，環(huán)氧(–C-O-C–)和羰基(–C=O)等)對(duì)水凝膠的表面改性被認(rèn)為是提高其對(duì)污染物的吸附效率的有效方法。例如，含氧基團(tuán)的存在可以增加吸附劑表面上的活性位點(diǎn)，該活性位點(diǎn)可與重金屬離子形成新的鍵。

　　含硫基團(tuán)(如–SH)對(duì)許多組分具有強(qiáng)親和力，也被廣泛應(yīng)用于水凝膠的改性。

　　圖4 (A)CMC/PEI水凝膠，(B)TiO2/2D-MMT/CS/PAA水凝膠，和(C)WPC/PUL凝膠的合成

　　3.2.3復(fù)合凝膠

　　生物復(fù)合水凝膠，如無(wú)機(jī)納米材料改性的水凝膠，磁性納米粒子負(fù)載的水凝膠，聚合物改性的水凝膠，CNT負(fù)載的水凝膠和GO改性的水凝膠，具有高的機(jī)械強(qiáng)度和出色的吸附性能，在廢水處理領(lǐng)域引起了人們的極大興趣。

　　圖5 (A)CMC-g-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)/Fe/Al和CMC-g-AMPS /活性炭水凝膠，(B)PAM/C/Fe3O4水凝膠，以及(C)SA/rGO–SH/Fe3O4生物海綿的合成示意圖。

　　4 功能化水凝膠在廢水處理中的應(yīng)用

　　與傳統(tǒng)的基于納米材料的吸附劑相比，水凝膠由于在合成，回收利用和降低納米材料釋放方面的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是更有效的吸附劑。此外，多功能水凝膠可以同時(shí)或選擇性地消除多種污染物，并具有出色的吸附能力。

　　4.1 重金屬離子

　　研究表明，具有–NH2，–COOH和–OH側(cè)基的生物基水凝膠可提高重金屬離子的去除率。表2總結(jié)了不同的官能團(tuán)改性生物基水凝膠吸附劑對(duì)重金屬離子的吸附能力。

　　圖6 (A)SA/羧甲基殼聚糖/TiO2生物復(fù)合物凝膠吸附Ni2+的機(jī)理，(B)大豆渣/PAA水凝膠的合成及其與金屬離子結(jié)合機(jī)理，(C)CMC/PAM水凝膠吸附Cu2+前后的XPS分析，和(D)殼聚糖/SA/Ca2+水凝膠制備示意圖。

　　4.2 染料

　　納米復(fù)合物的–COOH，–NH和–OH基團(tuán)與含有染料“S”和“N”原子的陽(yáng)離子染料之間的靜電相互作用，H鍵和偶極-偶極相互作用控制了吸附機(jī)理。其它凝膠材料對(duì)染料的吸附能力如表3所示。

　　圖7(A)甲基藍(lán)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和SA/PEI水凝膠吸附甲基藍(lán)前后的XPS分析，(B)甲基藍(lán)SA/PEI水凝膠上的吸附和解吸研究，(C)制備κ-角叉菜膠(CG)/聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(PG)水凝膠珠的示意圖，(D)甲基藍(lán)在CG/MB上的吸附機(jī)理，(E)卡拉膠-g-聚(2-甲基丙烯酰氧基乙基)三甲基氯化銨/ MMT納米復(fù)合物形成的合成示意圖，以及(F)吸附劑和吸附質(zhì)之間的相互作用機(jī)理

　　4.3 有機(jī)微污染物(OMP)

　　OMP特點(diǎn)：高毒性、在環(huán)境中含量低。

　　自家庭，化學(xué)制造工業(yè)和石油化合物，藥品和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品(PCP)污染的污水是OMP的重要重要來(lái)源。OMP主要包括破壞內(nèi)分泌的化合物(EDC)，鄰苯二甲酸鹽，表面活性劑，工業(yè)化學(xué)品，農(nóng)藥和食品添加劑。水凝膠對(duì)OMP吸附性能如表4所示。

　　圖8 (A)雙酚A在Al-MOF/SA/CS復(fù)合物上的結(jié)合機(jī)理，(B)羧甲基淀粉(CMS)-g-PMAA的合成及其胺基和苯酚的結(jié)合機(jī)理，(C)制備rGO–SA水凝膠，以及(D)苯酚，BPA和四環(huán)素在rGO–SA水凝膠上的吸附機(jī)理。

　　4.4 藥物

　　具有生物活性的藥物成分(API)，如止痛藥，鎮(zhèn)定劑，抗抑郁藥，抗菌藥，避孕藥和抗癌藥，通常在人體中無(wú)法全劑量消化，通過(guò)排泄系統(tǒng)和填埋滲濾液可能會(huì)影響純凈水資源。此外，廢棄的API被直接丟棄在水中，它們可以直接或間接地?cái)U(kuò)散到地下水中。API不能直接被生物降解，并且傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)大多數(shù)不能完全將其從污水中去除。

　　Ø生物基水凝膠也已被廣泛用作消除微量API的有效吸附劑，如非甾體類抗炎藥(卡洛芬，DFS，felbinac，�閎iprofen，IBU，萘普生等)，殺蟲劑(有機(jī)磷殺蟲劑，除蟲菊酯等)和廢水中的抗菌劑(環(huán)丙沙星，四環(huán)素等)。生物水凝膠對(duì)API吸附性能如表5所示。

　　圖9 (A)環(huán)丙沙星在–NH2-SA/GO水凝膠上的結(jié)合示意圖和(B)布洛芬和對(duì)乙酰氨基酚在幾丁質(zhì)/木質(zhì)素生物吸附劑上的結(jié)合示意圖，(C)磁性Fe3O4/SiO2/SiHTCS吸附劑的合成和(D)雙氯芬酸鈉與Fe3O4/SiO2/SiHTCS的作用機(jī)理

　　5 總結(jié)與展望

　　生物質(zhì)水凝膠具有優(yōu)異的物化性質(zhì)和無(wú)毒、可生物降解、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，它具有極強(qiáng)的可調(diào)性，可將多種有機(jī)官能團(tuán)和無(wú)機(jī)納米粒子摻雜到其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中以滿足其對(duì)環(huán)境污染物的去除要求。

　　含O/N/S官能團(tuán)的數(shù)量與吸附行為之間的關(guān)系有待深入研究

　　亟待開(kāi)發(fā)有效的循環(huán)路徑，提高廢棄吸附劑的附加值。例如，將廢棄吸附劑用作催化劑、抗菌材料等。

　　生物質(zhì)水凝膠在多元組分、連續(xù)系統(tǒng)和工業(yè)級(jí)廢水系統(tǒng)中的吸附性能。

　　降低生物質(zhì)水凝膠的成本。

　　結(jié)合光譜分析、理論模型和DFT計(jì)算等手段從分子或原子層面上深入理解吸附機(jī)理。

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