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  近年來水體污染問題日益嚴(yán)重，吸附法是一種較為常用的水處理方法，吸附法的關(guān)鍵在于吸附劑的開發(fā)，目前常用的高效吸附劑多呈粉末狀，存在易團(tuán)聚、難回收等問題。水凝膠是由具有親水基團(tuán)的聚合物通過交聯(lián)形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的功能材料，具有廣泛可調(diào)的理化性能，近年來在水處理領(lǐng)域表現(xiàn)出極大潛力。然而，傳統(tǒng)的水凝膠缺乏較強(qiáng)的吸附性能、機(jī)械強(qiáng)度和較高的重復(fù)利用率，限制了其大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。將納米粒子引入水凝膠可以提高水凝膠的吸附量同時(shí)增強(qiáng)其力學(xué)性能，但是其吸附速率不能得到改善。在水凝膠內(nèi)部構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)可以有效地提高水凝膠的溶脹率和溶脹速率，但是會不可避免地犧牲其力學(xué)性能。盡管目前力學(xué)性能好的多孔水凝膠已有所報(bào)道，但通常制備過程復(fù)雜且未曾在水處理領(lǐng)域得到應(yīng)用。

  鑒于此，南方科技大學(xué)楊燦輝課題組提出了用于水體修復(fù)的水凝膠的設(shè)計(jì)思路，即水凝膠應(yīng)具有強(qiáng)韌的力學(xué)性能、同時(shí)包含多孔結(jié)構(gòu)以及納米吸附劑。其中，強(qiáng)韌的力學(xué)性能保證了材料整體的穩(wěn)定性及可重復(fù)回收；多孔結(jié)構(gòu)特別是連續(xù)多孔提供了快速的吸附動力學(xué)；納米添加劑則提供充足的吸附位點(diǎn)以保證吸附量（圖1）。這一設(shè)計(jì)思路具有廣泛的適用性。相關(guān)工作于近期以“Tough porous nanocomposite hydrogel for water treatment”為題發(fā)表在環(huán)境領(lǐng)域知名期刊《Journal of Hazardous Materials》上。

圖1 用于水體修復(fù)的強(qiáng)韌多孔納米復(fù)合水凝膠的設(shè)計(jì)原理圖

  作為示例，研究人員選用了聚丙烯酰胺水凝膠作為骨架，生物炭作為納米添加劑，通過機(jī)械攪拌產(chǎn)生氣泡，利用十二烷基磺酸鈉作為穩(wěn)泡劑和海藻酸鈉高分子鏈作為增稠劑來穩(wěn)定氣泡，制備了強(qiáng)韌多孔納米復(fù)合水凝膠，用于亞甲基藍(lán)的吸附。力學(xué)測試表明，所制備的材料的拉伸率可達(dá)5.9，最大拉伸強(qiáng)度為128 Kpa，斷裂能為452.01 J/m²，最大壓縮強(qiáng)度可達(dá)27 MPa，滿足了水凝膠在水處理應(yīng)用中所需的力學(xué)要求。

圖2 力學(xué)性能表征

  SEM和BET分析表明，多孔生物炭水凝膠具有相互聯(lián)通的孔結(jié)構(gòu)，比表面積和孔體積相對于原始丙烯酰胺凝膠分別增加了441%和279%。

圖3 孔結(jié)構(gòu)表征

  之后，研究人員以亞甲基藍(lán)為模型污染物，研究了水凝膠的吸附動力學(xué)和等溫線行為，探究了其吸附機(jī)理。與原始水凝膠相比，多孔生物炭水凝膠的吸附容量和速率得到明顯提高。

圖4 吸附性能和機(jī)理分析

  同時(shí)所制備的強(qiáng)韌多孔生物炭水凝膠也具有優(yōu)異的循環(huán)再生能力。在五次循環(huán)后仍能保持優(yōu)異的力學(xué)性能。

圖5 循環(huán)再生能力分析

  此外，考慮到吸附劑本身可能帶來的二次污染問題，研究人員進(jìn)一步測試了水凝膠的細(xì)胞毒性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該水凝膠具有良好的生物相容性。

圖6 細(xì)胞毒性測試

  更多詳細(xì)信息請參考原文及支撐材料。

  論文第一作者是南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系科研助理吳直穎，現(xiàn)為香港城市大學(xué)博士研究生；合作作者包括南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系博士研究生張平、碩士研究生李嘯天和何耘豐，以及清華大學(xué)深圳國際研究生院博士研究生張海輝和秦培武助理教授，通訊作者是南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系楊燦輝助理教授。

  論文信息與鏈接

  Zhiying Wu, Ping Zhang, Haihui Zhang, Xiaotian Li, Yunfeng He, Peiwu Qin, Canhui Yang*, Tough porous nanocomposite hydrogel for water treatment, Journal of Hazardous Materials, 2021.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126754

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389421017192 

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