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  近年來水體污染問題日益嚴重，吸附法是一種較為常用的水處理方法，吸附法的關鍵在于吸附劑的開發，目前常用的高效吸附劑多呈粉末狀，存在易團聚、難回收等問題。水凝膠是由具有親水基團的聚合物通過交聯形成的三維網絡結構的功能材料，具有廣泛可調的理化性能，近年來在水處理領域表現出極大潛力。然而，傳統的水凝膠缺乏較強的吸附性能、機械強度和較高的重復利用率，限制了其大規模實際應用。將納米粒子引入水凝膠可以提高水凝膠的吸附量同時增強其力學性能，但是其吸附速率不能得到改善。在水凝膠內部構建多孔結構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性能。盡管目前力學性能好的多孔水凝膠已有所報道，但通常制備過程復雜且未曾在水處理領域得到應用。

  鑒于此，南方科技大學楊燦輝課題組提出了用于水體修復的水凝膠的設計思路，即水凝膠應具有強韌的力學性能、同時包含多孔結構以及納米吸附劑。其中，強韌的力學性能保證了材料整體的穩定性及可重復回收；多孔結構特別是連續多孔提供了快速的吸附動力學；納米添加劑則提供充足的吸附位點以保證吸附量（圖1）。這一設計思路具有廣泛的適用性。相關工作于近期以“Tough porous nanocomposite hydrogel for water treatment”為題發表在環境領域知名期刊《Journal of Hazardous Materials》上。

圖1 用于水體修復的強韌多孔納米復合水凝膠的設計原理圖

  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，通過機械攪拌產生氣泡，利用十二烷基磺酸鈉作為穩泡劑和海藻酸鈉高分子鏈作為增稠劑來穩定氣泡，制備了強韌多孔納米復合水凝膠，用于亞甲基藍的吸附。力學測試表明，所制備的材料的拉伸率可達5.9，最大拉伸強度為128 Kpa，斷裂能為452.01 J/m²，最大壓縮強度可達27 MPa，滿足了水凝膠在水處理應用中所需的力學要求。

圖2 力學性能表征

  SEM和BET分析表明，多孔生物炭水凝膠具有相互聯通的孔結構，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 孔結構表征

  之后，研究人員以亞甲基藍為模型污染物，研究了水凝膠的吸附動力學和等溫線行為，探究了其吸附機理。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 吸附性能和機理分析

  同時所制備的強韌多孔生物炭水凝膠也具有優異的循環再生能力。在五次循環后仍能保持優異的力學性能。

圖5 循環再生能力分析

  此外，考慮到吸附劑本身可能帶來的二次污染問題，研究人員進一步測試了水凝膠的細胞毒性。實驗結果表明，該水凝膠具有良好的生物相容性。

圖6 細胞毒性測試

  更多詳細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力學與航空航天工程系科研助理吳直穎，現為香港城市大學博士研究生；合作作者包括南方科技大學力學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力學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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