巩义市仁源水处理材料厂
联系人：孙经理
手机：15838253283（微信同号）
电话：0371-66557686
邮箱：1813885391@qq.com
地址：河南省巩义市工业园区
高品相粉状活性炭生产厂家功能性生物水凝胶在环境污染物去除中的应用
高品相粉状活性炭厂家功能性生物水凝胶在环境污染物去除中的应用。成果简介：水污染和清洁水稀缺是全球环境面临的重要问题。从污水中消除有害的污染物对维持生态平衡和实现可持续发展具有重要的现实意义。水凝胶是一种具有三维交联网络结构和高含水率的亲水高分子材料。通过引入含氧，氮和硫官能团和无机填料(石墨烯，粘土，碳纳米管等)制成的生物基水凝胶具有独特性物理化学性质，它将通过静电和氢键等作用对环境污染物表现出优异的吸附性能。近日，广州大学蔡卫权教授在《Journal of Materials Chemistry A》上发表了题为“Functional biobased hydrogels for the removal ofaqueous hazardous pollutants: current status,challenges, and future perspectives”的综述文章。该论文总结了生物水凝胶功能化改性的方法，具体讨论了含N、O、S官能团和无机纳米粒子改性的生物水凝胶在重金属离子、染料、药物和微污染物吸附方面的应用。同时作者也对目前这一领域所面临的困难提出了的独到见解，为后续生物水凝胶的设计、开发提供了思路。
图文摘要
1.前言
水污染和洁净水的缺乏是严重的全球环境问题。
吸附法具有成本低、操作方便、适用性广等优点，是一种较好废水处理方法。
水凝胶是一种具有三维交联网络结构和高含水率的亲水高分子材料。以植物特别是木材纳米材料和纳米纤维素为原料制备的水凝胶具有高机械强度、各向异性、生物相容和细胞粘附等特性而被广泛应用于生物医用材料。开发功能型水凝胶材料可以满足其对环境污染物的去除要求。
图1 典型生物水凝胶、其制备方法及在分离纯化方面的应用
2.废水处理技术
吸附法被认为是一种经济、高效、操作简单的技术，广泛应用于环境修复。
选择合适的吸附材料能有效提高对吸附过程中的分离效能。理想的吸附材料具有高表面积和机械强度、多吸附位点数、容易获得和可生物降解性等特性。
与无孔吸附剂相比，吸附质能快速在3D多孔吸附剂中扩散速度更快，缩短了表面吸附时间。另外，与传统的纳米材料相比，3D多孔材料具有更高的表面积和更高的吸附能力。
3.吸附材料
3.1典型的生物基吸附剂凝胶
生物材料为基础的各种框架中的吸附剂，例如水凝胶，气凝胶，膜，珠/树脂，纤维和泡沫，广泛用于废水处理。
水凝胶是3D网络结构的，不溶于水的坚韧的亲水性聚合物材料。由于其较高的吸水能力，水凝胶可在内部和外部水相之间交换水，因此可用于在污染水中运输溶质分子。根据网络结构，水凝胶可分为两种类型：(i)通过交联的共价键形成的网络结构(稳定的水凝胶)和(ii)通过次级相互作用形成的网络结构(可逆的水凝胶)。
3.2生物水凝胶表面功能化改性
对于大规模分离和纯化应用，开发对各种有害污染物具有高吸附能力和选择性的生物基水凝胶具有重要意义。对水凝胶材料进行改性可以满足其对环境污染物的去除要求。
图2 (A)CS/PEI微球的制备过程和(B)CNT/GO/SA水凝胶的形成的示意图。
3.2.1 含氮官能团改性
带有含氮基团(如–NH2，胺肟等)的生物基水凝胶是高效吸附剂。在酸性条件下含氮基团具有良好的质子化能力，通过静电吸引和离子交换可吸附阴离子污染物。此外，N原子具有五个价电子，其孤对电子可与污染物相互作用。
常用的含氮改性官能团有PEI、EDA、DETA、TETA、TEPA和DPA等。
图3 (A)E /PEI水凝胶，(B)NFC/PEI水凝胶和气凝胶制备示意图，以及(C)NFC/PEI气凝胶的SEM图像。
3.2.2含氧和含硫官能团改性
含氧官能团(如–OH，–COOH，环氧(–C-O-C–)和羰基(–C=O)等)对水凝胶的表面改性被认为是提高其对污染物的吸附效率的有效方法。例如，含氧基团的存在可以增加吸附剂表面上的活性位点，该活性位点可与重金属离子形成新的键。
含硫基团(如–SH)对许多组分具有强亲和力，也被广泛应用于水凝胶的改性。
图4 (A)CMC/PEI水凝胶，(B)TiO2/2D-MMT/CS/PAA水凝胶，和(C)WPC/PUL凝胶的合成
3.2.3复合凝胶
生物复合水凝胶，如无机纳米材料改性的水凝胶，磁性纳米粒子负载的水凝胶，聚合物改性的水凝胶，CNT负载的水凝胶和GO改性的水凝胶，具有高的机械强度和出色的吸附性能，在废水处理领域引起了人们的极大兴趣。
图5 (A)CMC-g-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)/Fe/Al和CMC-g-AMPS /活性炭水凝胶，(B)PAM/C/Fe3O4水凝胶，以及(C)SA/rGO–SH/Fe3O4生物海绵的合成示意图。
4 功能化水凝胶在废水处理中的应用
与传统的基于纳米材料的吸附剂相比，水凝胶由于在合成，回收利用和降低纳米材料释放方面的优势，被认为是更有效的吸附剂。此外，多功能水凝胶可以同时或选择性地消除多种污染物，并具有出色的吸附能力。
4.1 重金属离子
研究表明，具有–NH2，–COOH和–OH侧基的生物基水凝胶可提高重金属离子的去除率。表2总结了不同的官能团改性生物基水凝胶吸附剂对重金属离子的吸附能力。
图6 (A)SA/羧甲基壳聚糖/TiO2生物复合物凝胶吸附Ni2+的机理，(B)大豆渣/PAA水凝胶的合成及其与金属离子结合机理，(C)CMC/PAM水凝胶吸附Cu2+前后的XPS分析，和(D)壳聚糖/SA/Ca2+水凝胶制备示意图。
4.2 染料
纳米复合物的–COOH，–NH和–OH基团与含有染料“S”和“N”原子的阳离子染料之间的静电相互作用，H键和偶极-偶极相互作用控制了吸附机理。其它凝胶材料对染料的吸附能力如表3所示。
图7(A)甲基蓝的化学结构和SA/PEI水凝胶吸附甲基蓝前后的XPS分析，(B)甲基蓝SA/PEI水凝胶上的吸附和解吸研究，(C)制备κ-角叉菜胶(CG)/聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PG)水凝胶珠的示意图，(D)甲基蓝在CG/MB上的吸附机理，(E)卡拉胶-g-聚(2-甲基丙烯酰氧基乙基)三甲基氯化铵/ MMT纳米复合物形成的合成示意图，以及(F)吸附剂和吸附质之间的相互作用机理
4.3 有机微污染物(OMP)
OMP特点：高毒性、在环境中含量低。
自家庭，化学制造工业和石油化合物，药品和个人护理产品(PCP)污染的污水是OMP的重要重要来源。OMP主要包括破坏内分泌的化合物(EDC)，邻苯二甲酸盐，表面活性剂，工业化学品，农药和食品添加剂。水凝胶对OMP吸附性能如表4所示。
图8 (A)双酚A在Al-MOF/SA/CS复合物上的结合机理，(B)羧甲基淀粉(CMS)-g-PMAA的合成及其胺基和苯酚的结合机理，(C)制备rGO–SA水凝胶，以及(D)苯酚，BPA和四环素在rGO–SA水凝胶上的吸附机理。
4.4 药物
具有生物活性的药物成分(API)，如止痛药，镇定剂，抗抑郁药，抗菌药，避孕药和抗癌药，通常在人体中无法全剂量消化，通过排泄系统和填埋渗滤液可能会影响纯净水资源。此外，废弃的API被直接丢弃在水中，它们可以直接或间接地扩散到地下水中。API不能直接被生物降解，并且传统的废水处理技术大多数不能完全将其从污水中去除。
Ø生物基水凝胶也已被广泛用作消除微量API的有效吸附剂，如非甾体类抗炎药(卡洛芬，DFS，felbinac，biprofen，IBU，萘普生等)，杀虫剂(有机磷杀虫剂，除虫菊酯等)和废水中的抗菌剂(环丙沙星，四环素等)。生物水凝胶对API吸附性能如表5所示。
图9 (A)环丙沙星在–NH2-SA/GO水凝胶上的结合示意图和(B)布洛芬和对乙酰氨基酚在几丁质/木质素生物吸附剂上的结合示意图，(C)磁性Fe3O4/SiO2/SiHTCS吸附剂的合成和(D)双氯芬酸钠与Fe3O4/SiO2/SiHTCS的作用机理
5 总结与展望
生物质水凝胶具有优异的物化性质和无毒、可生物降解、环境友好等优点，它具有极强的可调性，可将多种有机官能团和无机纳米粒子掺杂到其网络结构中以满足其对环境污染物的去除要求。
含O/N/S官能团的数量与吸附行为之间的关系有待深入研究
亟待开发有效的循环路径，提高废弃吸附剂的附加值。例如，将废弃吸附剂用作催化剂、抗菌材料等。
生物质水凝胶在多元组分、连续系统和工业级废水系统中的吸附性能。
降低生物质水凝胶的成本。
结合光谱分析、理论模型和DFT计算等手段从分子或原子层面上深入理解吸附机理。
更多高品相粉状活性炭厂家详情点击：http://www.lvliaochangjia.com/
