受叶脉结构启发的高效无害多功能全生物质气凝胶，用于水污染治理：吸附多种污染物及实现油水分离

《Water Research》：Leaf-Vein-Inspired Efficient and Harmless Multifunctional Full-Biomass Aerogel for Water Remediation: Adsorption of Multiple Pollutants and Oil-Water Separation

本研究仿生叶脉结构，成功制备全生物基壳聚糖/羧甲基壳聚糖/醛化纤维素复合气凝胶（CCDAs），其抗压强度达187.11 KPa，对Cr(VI)和2,4-D吸附容量分别为251.62和362.56 mg/g，超过多数吸附剂。通过DFT和分子动力学模拟阐明吸附机制，并经硅烷改性实现水-油/有机溶剂高效分离，为环保废水处理提供新策略。

　　在当今社会，水资源作为生命活动的重要基础，其污染问题日益受到关注。随着工业化和城市化进程的加快，各种污染物不断进入水体，对生态环境和人类健康构成严重威胁。特别是重金属离子、农药以及油类污染物，因其毒性、生物累积性、致癌性以及在环境中的持久性，对环境和生态系统造成了极大的破坏。因此，如何高效、安全地去除这些污染物，成为当前环境治理领域的重要课题。

在众多水污染处理技术中，吸附法因其操作简便、成本低廉以及对环境影响较小，成为处理水污染的首选方法之一。然而，传统吸附材料在实际应用中仍存在诸多问题，例如吸附能力有限、材料回收困难、二次污染风险等。为了克服这些问题，研究者们不断探索新型吸附材料，尤其是基于生物材料的吸附剂。这类材料不仅具备良好的吸附性能，还具有绿色、环保、可降解等优势，符合当前可持续发展的理念。

近年来，仿生学的发展为新型吸附材料的设计提供了重要灵感。植物结构中的叶脉网络系统，因其在结构稳定性、力学性能以及流体传输能力方面的卓越表现，成为仿生吸附材料研究的热点。叶脉不仅赋予叶片良好的机械强度，还通过其复杂的网络结构实现了高效的水分和养分输送。受此启发，研究者们尝试通过模仿叶脉结构，构建具有类似功能的吸附材料，以提高其在水污染治理中的应用效果。

在此背景下，一种新型的全生物基材料——壳聚糖（CS）/羧甲基壳聚糖（CMC）/醛基纤维素（DAC）气凝胶（CCDA）被成功开发。这种气凝胶不仅继承了传统气凝胶的高孔隙率、低密度、高比表面积等优良特性，还通过模仿叶脉结构，显著提升了其机械强度和吸附性能。此外，通过引入DAC作为主要支撑结构，CCDA在保持材料强度的同时，避免了使用有毒的交联剂，从而实现了环保和安全的目标。CS和CMC则作为功能材料，提供了丰富的官能团，使得CCDA在吸附污染物方面表现出优异的性能。

CCDA的结构设计使其具备良好的物理缠绕和多重结合特性，这不仅增强了其机械性能，还提高了其在复杂水环境中的稳定性。这种材料的孔隙结构是相互连接的，能够有效促进污染物的扩散和吸附。通过实验测试，CCDA在去除六价铬（Cr(VI)）和2, 4-二氯苯氧乙酸（2, 4-D）方面表现出极高的吸附能力，分别达到251.62和362.56 mg/g，远超大多数已报道的吸附材料。这表明CCDA在水污染治理中具有广阔的应用前景。

此外，为了进一步提高CCDA的性能，研究者们对其进行了化学修饰，引入了甲基三甲氧基硅烷（MTMS）等物质，以增强其疏水性和亲油性。这种修饰使得CCDA在分离水和油/有机溶剂方面表现出优异的性能，吸附能力可达13.0-24.9 g/g。这一特性对于处理含油废水和有机溶剂污染尤为重要，因为许多工业废水含有大量的油类物质，而传统的吸附材料往往难以有效去除这些污染物。

CCDA的制备方法采用了冰模板法，这是一种能够有效控制材料微观结构的制备技术。通过调节DAC、CS和CMC的比例，研究者们成功构建了具有优异性能的CCDA材料。这种材料的结构不仅具有良好的机械强度，还具备高效的污染物吸附能力。实验结果显示，CCDA在去除多种污染物方面表现出色，为水污染治理提供了一种全新的解决方案。

在实际应用中，CCDA不仅能够有效去除水中的污染物，还具有良好的可回收性和重复使用性。这种特性使得CCDA在实际工程中具有重要的应用价值。此外，CCDA的制备过程符合绿色化学的原则，使用可再生的生物质材料，避免了对环境的二次污染，为可持续发展的水处理技术提供了有力支持。

综上所述，CCDA作为一种全生物基材料，具有优异的机械性能和吸附能力，能够在水污染治理中发挥重要作用。通过模仿叶脉结构，研究者们成功构建了这种材料，使其在去除多种污染物方面表现出色。同时，CCDA的制备过程和使用特性符合绿色发展的理念，为未来的水处理技术提供了新的思路和方向。未来的研究将进一步优化CCDA的结构和性能，探索其在更广泛环境治理领域的应用潜力。