南科大杨灿辉课题组：强韧多孔纳米复合水凝胶用于水体修复

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近年来水体污染问题日益严重，吸附法是一种较为常用的水处理方法，吸附法的关键在于吸附剂的开发，目前常用的高效吸附剂多呈粉末状，存在易团聚、难回收等问题。水凝胶是由具有亲水基团的聚合物通过交联形成的三维网络结构的功能材料，具有广泛可调的理化性能，近年来在水处理领域表现出极大潜力。然而，传统的水凝胶缺乏较强的吸附性能、机械强度和较高的重复利用率，限制了其大规模实际应用。将纳米粒子引入水凝胶可以提高水凝胶的吸附量同时增强其力学性能，但是其吸附速率不能得到改善。在水凝胶内部构建多孔结构可以有效地提高水凝胶的溶胀率和溶胀速率，但是会不可避免地牺牲其力学性能。尽管目前力学性能好的多孔水凝胶已有所报道，但通常制备过程复杂且未曾在水处理领域得到应用。

鉴于此，南方科技大学杨灿辉课题组提出了用于水体修复的水凝胶的设计思路，即水凝胶应具有强韧的力学性能、同时包含多孔结构以及纳米吸附剂。其中，强韧的力学性能保证了材料整体的稳定性及可重复回收；多孔结构特别是连续多孔提供了快速的吸附动力学；纳米添加剂则提供充足的吸附位点以保证吸附量（图1）。这一设计思路具有广泛的适用性。相关工作于近期以“Tough porous nanocomposite hydrogel for water treatment”为题发表在环境领域知名期刊《Journal of Hazardous Materials》上。

图1 用于水体修复的强韧多孔纳米复合水凝胶的设计原理图

作为示例，研究人员选用了聚丙烯酰胺水凝胶作为骨架，生物炭作为纳米添加剂，通过机械搅拌产生气泡，利用十二烷基磺酸钠作为稳泡剂和海藻酸钠高分子链作为增稠剂来稳定气泡，制备了强韧多孔纳米复合水凝胶，用于亚甲基蓝的吸附。力学测试表明，所制备的材料的拉伸率可达5.9，最大拉伸强度为128 Kpa，断裂能为452.01 J/m²，最大压缩强度可达27 MPa，满足了水凝胶在水处理应用中所需的力学要求。

图2 力学性能表征

SEM和BET分析表明，多孔生物炭水凝胶具有相互联通的孔结构，比表面积和孔体积相对于原始丙烯酰胺凝胶分别增加了441%和279%。

图3 孔结构表征

之后，研究人员以亚甲基蓝为模型污染物，研究了水凝胶的吸附动力学和等温线行为，探究了其吸附机理。与原始水凝胶相比，多孔生物炭水凝胶的吸附容量和速率得到明显提高。

图4 吸附性能和机理分析

同时所制备的强韧多孔生物炭水凝胶也具有优异的循环再生能力。在五次循环后仍能保持优异的力学性能。

图5 循环再生能力分析

此外，考虑到吸附剂本身可能带来的二次污染问题，研究人员进一步测试了水凝胶的细胞毒性。实验结果表明，该水凝胶具有良好的生物相容性。

图6 细胞毒性测试

更多详细信息请参考原文及支撑材料。

论文第一作者是南方科技大学力学与航空航天工程系科研助理吴直颖，现为香港城市大学博士研究生；合作作者包括南方科技大学力学与航空航天工程系博士研究生张平、硕士研究生李啸天和何耘丰，以及清华大学深圳国际研究生院博士研究生张海辉和秦培武助理教授，通讯作者是南方科技大学力学与航空航天工程系杨灿辉助理教授。

论文信息与链接

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

论文链接：

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

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