凝膠材料與吸附

劉玉　宋文琦　楊卓瀾　申璐　譚帥

摘要：從廢水中有效去除染料分子、重金屬離子等污染物對于保護公眾健康和生態環境具有重要意義。受益于凝膠吸附材料攜帶的豐富的基團，多孔結構和方便的操作，近年來水凝膠作為吸附材料廣泛用于廢水凈化方面，具有優越的優勢。本文主要簡述了吸附材料應用的環境背景，凝膠材料的結構與性質，以及新型凝膠材料在吸附分離中的一些應用。

一、引言

造紙、制革、紡織、油墨、橡膠、食品等行業產生的含染料以及重金屬離子廢水是環境污染的重要來源。大多數使用的合成染料具有復雜的芳香和離子結構，難以生物降解，具有潛在的毒性和致癌性[1]。直接排放這些廢水不僅會導致水色的增加，從而破壞生態平衡，還會直接或間接地通過食物鏈影響人類健康。因此，從廢水中有效去除染料以及重金屬離子對于保護公眾健康和生態環境具有重要意義。

目前，已經開發了許多方法用于處理廢水中的染料和重金屬離子，如吸附法，電化學法，光催化降解，生物處理，膜分離等。吸附法一般被認為是最廣泛應用的去除技術之一，因為它具有經濟可行性，高效率和操作簡便性。吸附法的核心是吸附材料的設計與開發。受益于凝膠吸附材料攜帶的豐富的基團，多孔結構和方便的操作，近年來水凝膠在吸附凈化廢水方面具有優越的優勢。然而，目前制備的水凝膠吸附劑仍面臨著一些問題，如結合基團不足、力學性能差等問題，限制了水凝膠的實際應用。因此，設計和制備具有良好吸附性能和力學性能的新型水凝膠吸附劑是當前研究的熱點。

二、凝膠材料概述

水凝膠是親水聚合物的交聯網絡，能夠保持大量的水，但在水中不會溶解，并保持其三維網絡結構[2]，其在組織工程、傳感、給藥、和致動等領域有著廣泛的研究。根據其獨特的結構，用于制造水凝膠的親水性聚合物需要在物理上和/或化學上交聯，以防止其溶解。水凝膠通常被認為是生物相容性材料，因為其高含水量和柔軟的性質使其類似于天然的細胞外基質。此外，它們的多孔結構，以及它們的含水量，是非常適合于容納大量水溶性化合物的特性，如作為具有治療活性的蛋白質和多肽或其他客體分子的輸送系統（微粒、乳劑等）。水凝膠由于其有趣的三維交聯網絡和大量的官能團，能夠固定和容納水溶的污染物分子，因而在水處理材料中得到了廣泛的應用。然而，傳統的水凝膠由于其固有的結構不均勻性而易碎，阻礙了其在未來的實際應用。因此，科研工作者通過一些途徑來改變其脆弱的力學性能而獲得具有韌性的水凝膠，使其能夠更為廣泛的應用，比如制備滑環水凝膠、四臂聚（乙二醇）水凝膠、雙網絡水凝膠、納米復合（NC）等結構的水凝膠材料等。

三、現代凝膠吸附材料

雖然水凝膠在水處理材料中得到了廣泛的應用。然而，傳統的化學交聯水凝膠不可避免地面臨著吸附性能不足、力學性能差等嚴重問題。筆者所在研究團隊研制了一種新型的基于離子液體官能團的兩親性共聚網絡，該網絡結構均勻，具有良好的吸附能力和力學強度，可用于陰離子染料的高效處理[3]。在實驗最優條件下，該材料對溴苯酚藍的最大吸附量可達397mg g-1，抗壓應變為60%條件下的機械強度為2.44 MPa。其優異的吸附性能和力學性能分別歸功于該凝膠網絡中存在暴露的離子液體官能團能夠高效結合染料分子，以及其均勻的網絡結構能有效分散外加應力。科研工作者Yi[4]通過簡單的方法制備新型海藻酸鈉/聚乙烯醇/氧化石墨烯水凝膠微球。海藻酸鈉通過Ca2+物理交聯，將石墨烯封裝在復合材料中以強化水凝膠。該水凝膠可以用作從水溶液中除去Cu（II）和U（VI）的有效吸附劑。并且，研究結果表明，該吸附材料在5次吸附一解吸循環后表現出優異的可重復使用性。科研工作者Huang[5]通過將聚（乙二醇）甲基醚丙烯酸酯，丙烯酸2一甲氧基乙酯和丙烯酸三種單體的“一鍋”法反應，制備了一系列結構可控、熱和pH雙響應共聚水凝膠。該水凝膠材料表現出良好的機械性能和敏感性，同時還表現出優異的選擇性吸附性。其對有機陽離子染料，如亮綠色和亞甲藍的最大吸附量分別為490 mg g-1和420 mg g-1，效果比以前的報道的更好。這些雙響應水凝膠在各個領域具有很大的潛在應用價值，如吸附，給藥，釋放和組織工程。科研工作者Zhao[6]通過簡便的自組裝方法制備三維血紅素官能化的石墨烯水凝膠。所制備的水凝膠顯示出良好的機械強度，儲能模量為609-642kPa。由于其體積較大，孔隙率較高，對有機染料污染物的吸附能力高，比如，其對染料羅丹明B的吸附容量為341 mg g-1。因此，該材料作為一種新型的宏觀吸附劑、光敏劑和抗菌材料在實際應用中具有很大的潛力。

四、結語與展望

隨著社會進步和科技發展，環境污染問題尤其是水污染問題日益嚴重。工業化所產生的各種有毒化學品造成的水污染是一個全球性問題，因為這些元素毒性很高，而且它們往往通過食物鏈在生物組織中積累，影響人民的健康。所以，高效水凝膠在水處理材料中得到了廣泛的應用。然而，傳統的化學交聯水凝膠不可避免地面臨著吸附性能不足、力學性能差等嚴重問題。因此，目前制備的水凝膠吸附劑仍面臨著結合基團不足、力學性能差等問題，限制了水凝膠的實際應用。設計和制備具有良好吸附性能和力學性能的新型水凝膠吸附劑是當前研究的熱點。此外，從生物體的角度來看，生物相容性、生物課降解性全等問題是關鍵考慮因素。

[參考文獻]

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[2]T Vermondfen，*R Censi. and W E.Hennink. ChemRev，2012，112（5），2853-2888.

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[4]X Yi， F Sun， Z Han， et al. Ecotox Environ Safe， 2018，158：309-318.

[5] H Huang， L Hou ， F Zhu ， et al. RSC Adv. 2018 ， 8， 9334-9343.

[6]Y Zhao， Y Zhang， A Liu， et al. ACS Appl Mater Inter，2017， 9（4） ， 4006-4014.