隨著工業(yè)化與城市化的加速推進，能源危機與環(huán)境污染成為全球面臨的重大挑戰(zhàn)。特別是有機染料廢水的排放，不僅污染了寶貴的水資源，還對生態(tài)系統(tǒng)造成了不可逆轉(zhuǎn)的影響。這些廢水中含有的兩性污染物（如酸性和堿性染料）因其復(fù)雜的化學結(jié)構(gòu)和廣泛的pH適應(yīng)范圍，給傳統(tǒng)處理方法帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)一種能夠有效應(yīng)對不同pH條件下污染物的新型材料顯得尤為迫切。
圖1. pH響應(yīng)性PHGC/MXene水凝膠吸附染料的摘要圖
染料廢水中的兩性污染物具有不同的電荷特性，在不同的pH環(huán)境下表現(xiàn)出不同的溶解性和吸附行為。傳統(tǒng)的處理技術(shù)如物理沉降、化學氧化等往往難以同時兼顧多種條件下的高效去除。pH響應(yīng)性材料能夠在特定pH值下發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，從而實現(xiàn)對目標污染物的選擇性吸附或釋放。這種智能響應(yīng)特性為解決復(fù)雜廢水處理問題提供了新的途徑。
長沙理工大學化學與化工學院張躍飛教授/李焰副教授研究團隊通過合成基于MXene復(fù)合L-半胱氨酸接枝HEMA（PHGC/MXene）的三維水凝膠，成功開發(fā)了一種具有優(yōu)異pH響應(yīng)性的吸附劑（Chemical Engineering Science, 2024, 300, 120648）。該材料不僅能在不同pH條件下高效去除染料，還能保持良好的循環(huán)穩(wěn)定性，為染料廢水凈化提供了一個創(chuàng)新且高效的解決方案。
圖4. PHGC/MXene水凝膠的循環(huán)利用性和吸附選擇性
實驗結(jié)果顯示，在酸性條件下(pH=2.0)，PHGC/MXene對AB93的最大吸附量達到207.47 mg/g；而在堿性環(huán)境下(pH=11.0)，對于MB的最大吸附容量更是高達555.56 mg/g。這種顯著的選擇性吸附特性使得該材料能夠針對特定類型的污染物進行高效處理。經(jīng)過多次脫附-再生循環(huán)后，PHGC/MXene仍然保持了超過90%的染料去除率，表明其具有出色的重復(fù)使用性能。動態(tài)固定床測試證實了PHGC/MXene在連續(xù)流系統(tǒng)中的優(yōu)異表現(xiàn)，適用于大規(guī)模廢水處理工程。分子動力學模擬揭示了PHGC/MXene與染料分子之間存在的靜電吸引及氫鍵等相互作用力，從而實現(xiàn)了高效的捕獲與分離過程。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ces.2024.120648
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