工业、农业和卫生污水等领域排放的废水形成了一个复杂的水污染系统，其中含有油类、重金属离子和有机染料等多种污染物，对环境和人类健康都构成了严重威胁。因此，开发旨在有效去除水体中这些污染物的方法和功能材料一直是一个备受关注的课题。近日，为了高效去除水体中多种污染物从而有效净化废水，青岛能源所王光辉研究员联合青岛科技大学王新萍副教授开发了一种新型甲壳素-海绵（CF-MS）复合材料，并进一步研究了其在油、重金属和有机污染物去除过程中的性能，相关研究结果发表在Separation and purification technology《分离纯化技术》杂志上。
甲壳素是一种来源于生物质的线性多糖，由(1,4)-β-N-乙酰葡萄糖胺组成，是世界上含量第二高的天然聚合物。由于具有亲水性、可改性、无毒性、抑菌作用和低成本等天然优势，它作为合成净水材料的前体具有巨大潜力。然而，由于粗甲壳素本身孔隙率不足，与客体污染物的结合能力较低，因此吸附能力有限，通常需要进一步改性。在大多数情况下，甲壳素通过脱乙酰化反应转化为壳聚糖，其中的酰氨基转化为氨基，从而成为金属离子和有机污染物的强吸附位点。然而，由于氨基可能会发生质子化反应并使壳聚糖溶解，尤其是在酸性溶液，因此精确调整脱乙酰度以平衡性能和稳定性非常重要。另一个挑战是需要提高脱乙酰化后壳聚糖的分层孔隙率，这可以显著改善传质和吸附位点的可及性。
基于上述认识，研究人员利用碱液冻融的方法将甲壳素溶解在NaOH/尿素水溶液中，并使其充分填充到三聚氰胺海绵的大孔（孔径约为150微米）中，碱溶液在低温下形成大的溶剂分子集团，使得甲壳素分子内、分子间氢键被弱化，然后在热诱导下自组装成纳米纤维。随后，进行脱乙酰化反应，将部分酰氨基基团转化为氨基基团。制备的CF-MS过滤器具有柔韧性、分层多孔性、超亲水性和水下超疏水性。这些特性赋予了CF-MS过滤器超高的重力驱动渗透通量（38000 L.m-2.h-1）、卓越的油水分离效率（>98.5%）以及对各种金属离子（Cu2+: 27.2 mg.g-1，Fe3+: 54.4 mg.g-1，Ni2+: 43.3 mg.g-1，Mn2+: 20.7 mg.g-1，Cd2+: 29.1 mg.g-1）和染料（刚果红653.1: mg.g-1，甲基蓝: 91.8 mg.g-1，曙红Y: 66.9 mg.g-1）的显著吸附能力。此外，CF-MS过滤器还可用于制造一种多合一装置，用于连续分离油水并同时去除金属离子和染料。
图1 CF-MS复合材料的制备及其在复杂含油废水分离中的应用示意图
该论文第一作者是青岛科技大学的硕士研究生黄贤良，通讯作者是青岛科技大学的王新萍副教授和青岛能源所的李德昌副研究员。该工作得到国家自然科学基金，山东省自然科学基金和中国博士后科学基金的资助。（文/图 黄贤良）
相关论文：
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.127522
Xianliang Huang, Zhiwei Wang, Zhengbin Tian, Wan Zhang, De-Chang Li*, Xinping Wang*, Guang-Hui Wang. A Multifunctional Chitin Fiber-Melamine Sponge Filter for One-Step Purification of Wastewater with Multiple Contaminants. Sep. Purif. Technol., 2024, 346, 127522-127531.
