CREST精选 | 贵大王兵与UF高斌团队：海藻酸盐复合材料在环境中的应用评论

导 读

贵州大学王兵教授与美国佛罗里达大学高斌教授在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊合作发表题为“海藻酸盐复合材料在环境中的应用评论（Alginate-based composites for environmental applications: a critical review，2019, 49(4):318–356）”的重磅综述。

海藻酸盐复合材料由于其生物相容性好、无毒、经济高效等特点，已被广泛用于能源和环境领域。海藻酸盐可与众多阳离子交联形成水凝胶，其表面丰富的官能团可与目标污染物通过离子交换将污染物捕获。然而，海藻酸盐凝胶具有弹性和机械性能差等缺点，通过合成有机和无机海藻酸盐复合材料可提高纯海藻酸盐凝胶的机械和热稳定性。此外，这些复合材料还具有独特的理化性质和良好的生物相容性。目前，将海藻酸盐凝胶与其他聚合物、天然和工程纳米粒子以及微生物结合制备的海藻酸盐复合材料已被广泛用于去除水体中的污染物。因此，本研究首先总结了海藻酸盐复合材料的合成及应用，重点综述了不同海藻酸盐复合材料去除水中各种污染物的性能和机制，并展望了海藻酸盐复合材料在环境中的应用前景，以期为未来开展相关领域的研究提供参考和借鉴。

海藻酸盐复合材料的性能和潜在应用主要取决于其合成方法，即物理和化学交联法。目前常用的方法包括离子交联、乳化和静电络合等。为了提高海藻酸盐在环境应用中的吸附性能和稳定性，研究者在海藻酸盐水凝胶中加入了各种材料。目前在环境应用方面利用海藻酸盐包埋的材料主要包括活性炭（AC）、生物炭(BC)、碳纳米管（CNT）、氧化石墨烯（GO）、纳米颗粒、磁性材料和微生物（图1）。通过将海藻酸盐和这些材料结合制备复合材料可以获得两者的协同效应。 

图1 不同海藻酸盐复合材料的制备

主要内容

海藻酸盐可作为其他类型吸附剂（包括AC、BC、CNT和GO）的稳定基质，这些吸附剂通常由于粒径太小而难以从水中分离。将这些碳材料与海藻酸盐结合生成水凝胶，不仅能增强海藻酸盐自身的物理和机械性能，还可以解决废水处理过程中吸附剂分离难及再生性能差的问题。

海藻酸盐富含羧基、羟基等活性官能团，其本身是一种很好的污染物去除剂，将其包埋AC、BC、CNT、GO、纳米颗粒、磁性材料和微生物等制备成复合材料可以提高其性能。目前，海藻酸盐复合材料被广泛用于吸附多种无机和有机污染物，其吸附机制主要包括离子交换和静电相互作用（图2）。本文通过总结发现海藻酸盐复合材料在去除染料、重金属、抗生素及其它污染物方面有很好的效果，且对污染物的吸附量较添加海藻酸盐之前均有所提升。如石墨烯/海藻酸盐纳米复合材料对亚甲基蓝的吸附量最高可达2300 mg/g；海藻酸钙固定真菌制备的复合材料对Hg(II)的吸附量最高可达403.2 mg/g；海藻酸盐-羧甲基纤维素凝胶珠对Pb(II)的吸附量最高可达1727 mg/g。

图2 不同海藻酸盐复合材料对水中有机和无机污染物的吸附机理

总结与展望

这是关于海藻酸盐复合材料在环境应用方面的第一篇综述。本文重点总结了海藻酸盐复合材料在环境应用中的最新研究进展，然而在该领域的研究还存在诸多问题亟待解决。因此，该综述对未来的研究提出了一些建议和展望，包括进一步研究各种海藻酸盐复合材料对不同污染物的吸附去除机制、优化和设计具有独特特性和功能化的新型海藻酸盐复合材料、评估海藻酸盐复合材料应用的潜在风险和成本以及拓展海藻酸盐复合材料的实际应用等。

作者简介

第一作者：

王兵，贵州大学一流学科特聘教授，理学博士，硕士生导师，贵州省“千”层次创新型人才，美国康奈尔大学、佛罗里达大学访问学者。主要从事土壤重金属污染修复治理、污水处理与净化技术及固体废弃物资源化利用等方面的研究。主持国家重点研发计划专题项目、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年基金项目等10余项。已发表学术论文80余篇，其中SCI论文40余篇，获授权发明专利4项。曾获中国科学院朱李月华优秀博士生奖和贵州大学“卓越基金”奖等。

通讯作者：

高斌，博士，美国佛罗里达大学农业与生物工程系教授，美国土壤学学会会士。主要从事环境纳米技术、生物炭技术、污染物运移和归宿等方面的研究。已发表SCI论文300余篇。2011年获得美国国家科学基金会杰出青年奖（NSF CAREER Award），2012年获得美国农业与生物工程协会佛罗里达区杰出青年研究奖和佛罗里达大学学农学院 Giglia Endowment奖，2015年获得佛罗里达大学研究基金会荣誉教授（UFRF Professorship）和Gamma Sigma Delta优秀青年教授成就奖，2017年获得佛罗里达大学专职教授奖（Term Professorship），2018~2020年连续入选科睿唯安高被引科学家。

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|供稿：贵州大学王兵与美国佛罗里达大学高斌团队

|编排：代子雯

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