CREST新文 | 水凝胶——水中污染物去除新材料

导读

澳大利亚南昆士兰大学Jochen Bundschuh团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“水凝胶——水中污染物去除新材料（Hydrogels: Novel materials for contaminant removal in water—A review; 2021, 51(17): 1970-2014）”的综述。聚合物和石墨烯水凝胶是去除水中无机（如金属和类金属）和有机（如染料）痕量污染物很有前途的新材料。它们可以与几乎任何所需的传统或创新吸附剂制备成复合材料，以提高去除效率。建立三维高效网络是水凝胶的重要特征之一，它赋予了水凝胶独特的特性。使用水凝胶有许多好处：易于分离和处理、便于大规模应用、水凝胶可以通过再生重复利用。目前，基于水凝胶的净水实验大多局限于实验室规模，需要进一步的研究才能走向大规模的工业应用。此外，目前的研究仅限于少数几种污染物，因此，考虑到实际情况，还需要进一步的实验来去除更多的污染物类型和污染物混合物。本文旨在对水凝胶的所有这些特性进行描述和讨论。图1 图文摘要

主要内容

在聚合物水凝胶的制备中，交联剂对聚合物网络的制备起着重要的作用。与无机交联剂制备的水凝胶相比，有机交联剂制备的水凝胶机械强度较低，因此不能抵抗压力条件，而且溶胀性较低。因此，由有机交联剂制成的水凝胶的性能不适合或不适合于大多数应用要求。水凝胶的性质也可以据交联性质的不同而有所不同，其交联性质既可以是共价性质的，也可以是非共价性质的。诱发剂是水凝胶制备中启动聚合反应的化学成分。水凝胶的合成包括一步法或多步法。一步法工序通常通过聚合来执行（图2）。

图2 水凝胶制备中不同的聚合工艺：(a)本体聚合，(b)交联聚合和(c)水溶性聚合物的网络形成（或反相悬浮聚合）

为了开发高效去除水污染物的水凝胶，研究人员试图从机械强度、分离能力和污染物吸附能力等方面改善水凝胶的性能。因此，已有几种物理、化学技术被用来获得具有改善和优化所需质量的改性水凝胶。磺甲基化反应、Hofmann反应、Mannich反应和胺化反应用于水凝胶的化学改性（图3）。磁性水凝胶和水凝胶复合材料则是典型的物理和化学改性水凝胶。

图3 用于制备改性交联水凝胶的不同改性反应：(a)磺甲基化反应，(b)Hofmann反应，(c)Mannich反应和(d)胺化反应

水中的重金属、类金属、染料、酚类、抗生素、石油和有害微生物等污染物均可通过水凝胶去除。不同的水凝胶用于去除水介质中的污染物时的吸附效率不同，取决于几个因素，例如表面形貌、可用的官能团类型、其他无机离子之间的相互作用、溶液pH和溶液中存在的有机污染物。加速吸附速率的最重要因素是可用于吸附污染物的表面积。显然，与其单体或大多数其他吸附剂相比，大多数水凝胶的结构显示出更高的比表面积。然而，导致特定水凝胶比表面积进一步增加的因素各不相同。研究表明，水凝胶制备过程中使用的干燥方法会影响其表面积，从而影响其吸附能力。冷冻干燥法制备的壳聚糖-纤维素水凝胶比常规干燥制备的壳聚糖-纤维素水凝胶具有更高的吸附容量。冷冻干燥是一种促进高级脱水的方法，这种先进的脱水工艺提供了高孔隙率、广泛的孔径分布、较低的堆积密度和较小的收缩。因此，与没有经过冷冻干燥步骤的水凝胶相比，材料获得了更高的可用于吸附污染物的表面积。

总结与展望

这是水凝胶在去除水中污染物方面作用的首次全面综述。可持续地去除水中的污染物是全球面临的挑战，而水凝胶的发明是污染物去除进程研究中的转折点之一。它具有生产成本低、操作成本低、制备简单、吸附后易分离、回收能力强、可长期重复使用等显著优点。此外，一些不依赖于pH的水凝胶可以在天然水域中去除污染物，不需进行前/后处理，可以有效地应用于从单一家庭到大型工业规模的所有规模。用于水处理部门的水凝胶仍在发展中，其制备结合了传统水凝胶类型的许多优点。水凝胶还可以与合适的微生物结合开发：三维网络结构可能会为这些生物有机体提供更宽敞的环境；微生物与水凝胶的结合可以将不同的去除机制与吸附技术相结合，从而提高去除能力。然而，还需要进行更多的研究，包括现场应用和所需条件优化，以应对被不同污染物及其组合污染的水资源。因此，在开发和设计去除过程时，需要考虑和研究不同污染物之间、与水中存在的其他化学物种之间以及水中存在的其他化学物种之间的相互作用，以及不同的物理化学参数，从而优化去除过程。

作者简介

第一作者：

Lakshika Weerasundara，澳大利亚南昆士兰大学研究人员，于2019年2月获得澳大利亚南昆士兰大学博士学位，正在研究开发新型水凝胶，用于去除水和废水中的砷。

通讯作者：

Jochen Bundschuh，澳大利亚南昆士兰大学荣誉教授（Honorary Professor）。从事水资源中无机微量污染物的研究，主要研究地下水中的无机微量污染物以及相应的可持续缓解措施。撰写和编辑书籍20余本。自2015年起，担任爱思唯尔出版社Groundwater for Sustainable Development期刊主编、名誉主编。Bundschuh教授是系列大会“环境中的砷（Arsenic in the Environment）”的国际组织者之一，该系列为砷研究提供了一个跨学科的国际平台，并致力于偶联不同环境和介质（包括地下水和地表水、土壤、生物和空气）中地质成因砷的发生及其对社会的影响。

|撰稿：史馨怡

|编排：代子雯（CREST期刊推广员）

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