凝胶材料与吸附

刘玉　宋文琦　杨卓澜　申璐　谭帅

摘要：从废水中有效去除染料分子、重金属离子等污染物对于保护公众健康和生态环境具有重要意义。受益于凝胶吸附材料携带的丰富的基团，多孔结构和方便的操作，近年来水凝胶作为吸附材料广泛用于废水净化方面，具有优越的优势。本文主要简述了吸附材料应用的环境背景，凝胶材料的结构与性质，以及新型凝胶材料在吸附分离中的一些应用。

一、引言

造纸、制革、纺织、油墨、橡胶、食品等行业产生的含染料以及重金属离子废水是环境污染的重要来源。大多数使用的合成染料具有复杂的芳香和离子结构，难以生物降解，具有潜在的毒性和致癌性[1]。直接排放这些废水不仅会导致水色的增加，从而破坏生态平衡，还会直接或间接地通过食物链影响人类健康。因此，从废水中有效去除染料以及重金属离子对于保护公众健康和生态环境具有重要意义。

目前，已经开发了许多方法用于处理废水中的染料和重金属离子，如吸附法，电化学法，光催化降解，生物处理，膜分离等。吸附法一般被认为是最广泛应用的去除技术之一，因为它具有经济可行性，高效率和操作简便性。吸附法的核心是吸附材料的设计与开发。受益于凝胶吸附材料携带的丰富的基团，多孔结构和方便的操作，近年来水凝胶在吸附净化废水方面具有优越的优势。然而，目前制备的水凝胶吸附剂仍面临着一些问题，如结合基团不足、力学性能差等问题，限制了水凝胶的实际应用。因此，设计和制备具有良好吸附性能和力学性能的新型水凝胶吸附剂是当前研究的热点。

二、凝胶材料概述

水凝胶是亲水聚合物的交联网络，能够保持大量的水，但在水中不会溶解，并保持其三维网络结构[2]，其在组织工程、传感、给药、和致动等领域有着广泛的研究。根据其独特的结构，用于制造水凝胶的亲水性聚合物需要在物理上和/或化学上交联，以防止其溶解。水凝胶通常被认为是生物相容性材料，因为其高含水量和柔软的性质使其类似于天然的细胞外基质。此外，它们的多孔结构，以及它们的含水量，是非常适合于容纳大量水溶性化合物的特性，如作为具有治疗活性的蛋白质和多肽或其他客体分子的输送系统（微粒、乳剂等）。水凝胶由于其有趣的三维交联网络和大量的官能团，能够固定和容纳水溶的污染物分子，因而在水处理材料中得到了广泛的应用。然而，传统的水凝胶由于其固有的结构不均匀性而易碎，阻碍了其在未来的实际应用。因此，科研工作者通过一些途径来改变其脆弱的力学性能而获得具有韧性的水凝胶，使其能够更为广泛的应用，比如制备滑环水凝胶、四臂聚（乙二醇）水凝胶、双网络水凝胶、纳米复合（NC）等结构的水凝胶材料等。

三、现代凝胶吸附材料

虽然水凝胶在水处理材料中得到了广泛的应用。然而，传统的化学交联水凝胶不可避免地面临着吸附性能不足、力学性能差等严重问题。笔者所在研究团队研制了一种新型的基于离子液体官能团的两亲性共聚网络，该网络结构均匀，具有良好的吸附能力和力学强度，可用于阴离子染料的高效處理[3]。在实验最优条件下，该材料对溴苯酚蓝的最大吸附量可达397mg g-1，抗压应变为60%条件下的机械强度为2.44 MPa。其优异的吸附性能和力学性能分别归功于该凝胶网络中存在暴露的离子液体官能团能够高效结合染料分子，以及其均匀的网络结构能有效分散外加应力。科研工作者Yi[4]通过简单的方法制备新型海藻酸钠/聚乙烯醇/氧化石墨烯水凝胶微球。海藻酸钠通过Ca2+物理交联，将石墨烯封装在复合材料中以强化水凝胶。该水凝胶可以用作从水溶液中除去Cu（II）和U（VI）的有效吸附剂。并且，研究结果表明，该吸附材料在5次吸附一解吸循环后表现出优异的可重复使用性。科研工作者Huang[5]通过将聚（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种单体的“一锅”法反应，制备了一系列结构可控、热和pH双响应共聚水凝胶。该水凝胶材料表现出良好的机械性能和敏感性，同时还表现出优异的选择性吸附性。其对有机阳离子染料，如亮绿色和亚甲蓝的最大吸附量分别为490 mg g-1和420 mg g-1，效果比以前的报道的更好。这些双响应水凝胶在各个领域具有很大的潜在应用价值，如吸附，给药，释放和组织工程。科研工作者Zhao[6]通过简便的自组装方法制备三维血红素官能化的石墨烯水凝胶。所制备的水凝胶显示出良好的机械强度，储能模量为609-642kPa。由于其体积较大，孔隙率较高，对有机染料污染物的吸附能力高，比如，其对染料罗丹明B的吸附容量为341 mg g-1。因此，该材料作为一种新型的宏观吸附剂、光敏剂和抗菌材料在实际应用中具有很大的潜力。

四、结语与展望

随着社会进步和科技发展，环境污染问题尤其是水污染问题日益严重。工业化所产生的各种有毒化学品造成的水污染是一个全球性问题，因为这些元素毒性很高，而且它们往往通过食物链在生物组织中积累，影响人民的健康。所以，高效水凝胶在水处理材料中得到了广泛的应用。然而，传统的化学交联水凝胶不可避免地面临着吸附性能不足、力学性能差等严重问题。因此，目前制备的水凝胶吸附剂仍面临着结合基团不足、力学性能差等问题，限制了水凝胶的实际应用。设计和制备具有良好吸附性能和力学性能的新型水凝胶吸附剂是当前研究的热点。此外，从生物体的角度来看，生物相容性、生物课降解性全等问题是关键考虑因素。

[参考文献]

[I]K Sharma，A K.Dalai. and R K.Vyas. Rev Chem Eng.2017，34（1）：107-134.

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

[3]W Song，L Qian*，B Cao， et al.J Mater Sci， 2019， 54：6212-6226.

[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.