受鱼鳃启发的双向多孔多糖气凝胶在微纳米塑料去除中的应用

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Fish Gill-Inspired Bidirectional Porous Polysaccharide Aerogels for Micro/Nanoplastics Removal

仿鱼鳃结构的双方向多孔多糖基气凝胶对微纳米塑料（MNPs）展现出高效吸附能力（>300 mg/g），分子动力学模拟揭示其吸附机制包含静电、范德华力、氢键及π-π堆积作用，并构建了连续流水处理系统验证规模化潜力，同时具备酸性环境抗菌性能。

　　微塑料（Micro/Nanoplastics, MNPs）作为一类新型污染物，因其对淡水生态系统和人类健康的潜在威胁而受到广泛关注。微塑料包括纳米塑料（NPs，<1微米）和微塑料（MPs，<5毫米），其来源广泛，如塑料瓶的降解、合成纺织品、个人护理产品等。据估计，2019年全球产生的废弃物达到3.53亿吨，其中约79万吨因处理不当而进入水体，成为水环境污染的重要来源。这些微塑料因其在自然水体中难以完全降解，能够携带有毒化学物质，并通过食物链迅速传递，导致淡水污染和潜在的人体健康风险。因此，如何高效地去除水体中的微塑料成为当前环境治理领域亟待解决的关键问题。

传统的水处理技术，如膜过滤、絮凝、凝聚、生物降解和电泳等，在去除微塑料污染物方面存在诸多局限性，包括成本高、能耗大、容易堵塞以及可能产生二次污染。相比之下，吸附技术因其操作简便、安全、能耗低和成本低廉，被视为一种具有前景的替代方案。然而，现有的吸附材料，如生物炭、活性炭、氧化石墨烯和金属有机框架等，通常需要复杂的合成过程、大量化学试剂和较长的沉降时间，且可能产生二次废物。因此，开发一种新型、可持续、高效的吸附材料成为研究重点。

本研究受鱼类鳃结构的启发，设计了一种可持续的双向多孔的多糖基气凝胶，由壳聚糖（Chitosan, CS）、纤维素纳米纤维（Cellulose Nanofibers, CNFs）和聚多巴胺（Polydopamine, PDA）组成，用于高效去除水体中的微塑料。该气凝胶采用双向冷冻干燥法进行制备，形成了具有高度互连的三维多孔结构，不仅提高了材料的机械强度和韧性，还显著增强了其吸附能力。研究表明，这种气凝胶的吸附能力可超过300 mg/g，针对多种类型的微塑料，包括羧基化聚苯乙烯（PS-COOH）、聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）。特别地，双向排列的多孔结构使得其吸附能力是随机排列气凝胶的9倍以上。

该气凝胶的结构特点使其在去除微塑料方面表现出色。通过分子动力学（MD）模拟，发现其优异的吸附性能主要归因于多种分子间相互作用，包括静电相互作用、范德华力（vdW）、氢键和π–π相互作用。这些相互作用不仅增强了气凝胶对微塑料的结合能力，还提高了其在水环境中的稳定性和使用寿命。此外，该气凝胶在酸性环境中表现出良好的抗菌性能，对大肠杆菌（E. coli）具有显著的抑制作用。这种抗菌性能有助于减少生物膜的形成和微生物的降解，从而提高气凝胶在水处理过程中的操作稳定性和可重复使用性。

为了验证该气凝胶在实际水处理中的应用潜力，研究团队构建了一个便携式的连续流动吸附过滤系统。该系统能够在4个净化循环中，将1升含微塑料的水体中的污染物去除效率提高至96%以上，且整个处理过程仅需20分钟。系统运行过程中，吸附和过滤作用协同进行，显著提升了气凝胶的净化效果。实验结果显示，该系统在处理聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等微塑料时，具有优异的净化能力，经过四次循环后，水体中的微塑料几乎完全去除，表明其在实际应用中的高效性和可行性。

此外，该气凝胶的抗菌性能在实际环境中也得到了验证。当气凝胶暴露于自然湖水中一周后，其结构依然保持完整，未出现明显的生物污染现象。这表明，该材料不仅在吸附微塑料方面表现出色，还具有良好的抗生物污染能力，为长期运行提供了保障。通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，气凝胶在处理实际废水时仍能保持较强的微塑料吸附能力，进一步验证了其在复杂水环境中的应用潜力。

本研究的创新之处在于，通过模仿鱼类鳃的结构，设计了一种具有双向多孔结构的气凝胶材料，不仅提升了其吸附能力，还通过多种分子间相互作用机制实现了对不同种类微塑料的高效捕获。同时，该材料的制备过程采用了天然多糖类原料，如壳聚糖和纤维素纳米纤维，以及低剂量的聚多巴胺，避免了有毒化学品的使用，使得整个过程更加环保和可持续。此外，其制备方法简单，通过双向冷冻干燥技术即可实现，为大规模生产和应用提供了可能。

从经济性和环境友好性角度来看，该气凝胶的材料成本约为0.039美元/立方厘米，显示出较高的经济可行性。其使用水作为唯一溶剂，避免了有毒化学品的引入，符合绿色化学和可持续发展的理念。同时，该气凝胶在处理过程中可以通过重力驱动流动，无需额外的压力设备，进一步降低了运行成本。

综上所述，本研究开发的双向多孔气凝胶在微塑料去除方面展现出显著的优势，不仅具有高效的吸附能力，还具备良好的抗菌性能和环境友好性。这些特性使其成为一种具有广泛应用前景的新型水处理材料，有望在未来的污水处理和水体净化中发挥重要作用。此外，该研究还揭示了微塑料吸附过程中分子间相互作用的重要性，为设计下一代三维固体吸附材料和其集成的污染治理系统提供了理论基础和技术支持。