基于还原氧化石墨烯与卡拉胶/金合欢的混合水凝胶纳米复合材料，用于高效捕获藏红花素和亚甲蓝染料

《Journal of Molecular Liquids》：Reduced graphene oxide embedded carrageenan/acacia-based hybrid hydrogel nanocomposite for the efficient entrapment of safranine and methylene blue dyes

本研究通过自由基诱导交联法制备了羧甲基纤维素-海藻酸钠-聚丙烯酸复合水凝胶（ACI-CGN-cl-polyAcA）及其与还原石墨烯氧化物复合的纳米复合材料（rGO/ACI-CGN-cl-polyAcA）。优化条件下，复合水凝胶的最大吸水率达1709%，孔径分别为34.6和22.7 μm，展现出优异的染料吸附性能。经六次吸附/脱附循环后，对刚果红（98.4%）和甲基蓝（99.9%）的去除效率保持稳定，吸附容量分别为197和315 mg/g。吸附等温模型和动力学模型分析表明，Langmuir和伪二级动力学模型拟合最佳，证实了其高效、可再生的染料吸附特性及环境友好性。

　　在这项研究中，科学家们开发了一种由海藻酸钠和阿拉伯胶交叉连接的聚丙烯酸（polyAcA）水凝胶（ACI-CGN-cl-polyAcA），并进一步将其与还原氧化石墨烯（rGO）结合，形成一种新型的纳米复合材料（rGO/ACI-CGN-cl-polyAcA）。该材料在吸附水溶性染料方面表现出显著的性能提升。通过自由基引发的交联方法，研究团队成功制备了这两种材料，并对其吸附性能进行了详细分析。

水是地球上生命存在的关键因素，但随着工业的发展和环境污染的加剧，水体受到大量染料的污染，尤其是合成染料。这些染料不仅难以降解，而且对生态环境和人类健康造成严重威胁。例如，甲基蓝（MLB）和刚果红（SFN）是两种常见的合成染料，广泛应用于制药、纺织和生物染色等领域。然而，它们的排放会导致水体污染，进而对水生生物和人类健康产生不良影响。因此，寻找高效、环保的染料去除方法成为当前环境治理的重要课题。

水凝胶因其独特的物理化学性质，如高吸水性、可调控的孔隙结构以及丰富的官能团，被认为是处理水污染的有效材料。水凝胶能够吸收大量水分，形成三维网络结构，从而促进染料分子的扩散和吸附。此外，水凝胶的可降解性和生物相容性使其在环境治理中具有重要的应用前景。为了提高水凝胶的吸附性能，研究者们不断探索将其与其他材料复合的可能性，其中碳基材料如还原氧化石墨烯因其高比表面积、丰富的含氧官能团以及良好的导电性，被认为是一种极具潜力的吸附剂。

本研究中，ACI-CGN-cl-polyAcA水凝胶的制备基于海藻酸钠和阿拉伯胶的交叉连接。通过自由基引发的聚合反应，聚丙烯酸被成功接枝到海藻酸钠和阿拉伯胶的混合体系中。在最佳条件下，该水凝胶表现出高达1709%的吸水率，表明其具有良好的多孔结构。扫描电子显微镜（SEM）图像进一步验证了这一结构，显示其平均孔径分别为34.6微米和22.7微米。这些孔隙不仅有助于水分子的渗透，也为染料分子的扩散提供了通道，从而提高了吸附效率。

在将还原氧化石墨烯纳米片（rGO NS）引入ACI-CGN-cl-polyAcA水凝胶基质后，材料的染料去除性能显著提升。对于甲基蓝，去除效率从92.1%提高到了98.4%；对于刚果红，去除效率则从95.2%提升至99.9%。这表明rGO NS的加入有效增强了水凝胶的吸附能力。吸附容量的测定结果显示，rGO/ACI-CGN-cl-polyAcA对甲基蓝和刚果红的最大吸附能力分别为197毫克/克和315毫克/克，这比纯水凝胶的吸附能力有了显著的提升。

吸附等温线分析表明，这两种染料在ACI-CGN-cl-polyAcA和rGO/ACI-CGN-cl-polyAcA上的吸附行为都符合Langmuir和Freundlich吸附模型。这说明水凝胶具有一定的均匀性和多孔性，能够提供多种吸附机制，如物理吸附、化学吸附和离子交换等。此外，吸附动力学研究表明，伪二级动力学模型最能描述染料在水凝胶上的吸附过程，这表明吸附过程可能涉及化学反应或表面反应，而非简单的物理扩散。

除了吸附性能，研究还关注了材料的可回收性。实验结果表明，rGO/ACI-CGN-cl-polyAcA在六次吸附-解吸循环后仍能保持其吸附性能，这表明该材料具有良好的稳定性和重复使用性。这一特性对于实际应用至关重要，因为它意味着材料可以被多次使用，从而降低处理成本和资源消耗。

本研究的另一个重要方面是探讨了水凝胶的吸附机制。实验表明，染料的去除主要依赖于多种作用力的协同效应，包括静电相互作用、氢键作用和离子交换机制。具体来说，甲基蓝和刚果红中的正电荷基团（如氮原子和硫原子）能够与水凝胶中的负电荷基团（如羧酸基团）发生静电吸引，从而增强吸附效果。此外，水凝胶的多孔结构为染料分子提供了更大的接触面积，促进了吸附过程的进行。

为了进一步提高吸附性能，研究者们还考虑了材料的表面改性和功能化。例如，通过引入不同的官能团或纳米材料，可以增强水凝胶对特定染料的亲和力。在本研究中，还原氧化石墨烯的加入不仅增加了材料的比表面积，还提供了更多的活性位点，从而提升了吸附效率。此外，rGO NS的导电性和化学稳定性也有助于材料在不同环境条件下的应用。

在实际应用中，水凝胶材料的制备和改性需要考虑多个因素，包括原料的选择、交联方法的优化以及材料的稳定性。例如，海藻酸钠和阿拉伯胶的混合使用可以弥补单一材料在某些性能上的不足，如海藻酸钠的高凝胶形成能力与阿拉伯胶的高稳定性相结合，可以制备出具有更优性能的水凝胶。同时，交联剂的选择和反应条件的控制对水凝胶的结构和性能也有重要影响。

此外，水凝胶材料的回收和再利用也是研究的重要内容。由于水凝胶在吸附染料后可以通过简单的洗涤和干燥过程进行再生，因此其可重复使用性使其在工业废水处理中具有显著优势。在本研究中，rGO/ACI-CGN-cl-polyAcA在多次吸附-解吸循环后仍能保持较高的吸附效率，这表明其具有良好的循环性能，可以长期用于染料去除。

综上所述，本研究通过将海藻酸钠和阿拉伯胶结合，并进一步引入还原氧化石墨烯，成功开发出一种高效、环保的水凝胶基吸附材料。该材料不仅具有优异的吸水性和吸附性能，还表现出良好的可回收性，为水污染治理提供了一种新的解决方案。未来的研究可以进一步探索该材料在不同污染物去除中的应用潜力，以及如何通过结构优化和功能化改性提高其吸附效率和选择性。