用于清除水环境中硝酸钴和石油污染的聚合物泡沫吸附复合材料

《Journal of Water Process Engineering》：Polymer foam sorption composites for cleaning aquatic environments from cobalt nitrate and oil pollution

微波辅助合成多孔泡沫复合材料用于高效去除水体中的重金属和油污污染，通过两种方法制备：①微波加热悬浮液实现聚丙烯酰胺凝胶的泡沫化并负载吸附剂；②酸氧化石墨热膨胀产生孔隙结构。研究表明该复合材料在碱性环境下通过沉淀反应（M?+OH?→MOH）高效吸附Co2?，同时具备疏水特性处理油类污染物，为水处理技术提供创新解决方案。

　　

V.N. 戈尔申涅夫 | V.V. 科列索夫 | M.A. 雅科夫列娃

俄罗斯科学院埃马努埃尔生物化学物理研究所，科西金街4号，莫斯科，119334

摘要

保护水生环境免受复杂污染需要能够去除多种污染物的创新材料。本研究通过开发新型多功能吸附复合材料来应对这一挑战，这些复合材料采用快速高效的微波辅助合成技术制备。我们展示了基于聚丙烯酰胺基体的多孔泡沫复合材料的制备方法，该复合材料可用于去除重金属盐和油类污染物。微波加热悬浮液有助于在吸附泡沫复合材料中形成多孔结构。通过评估这些复合材料的形成条件和吸附性能，发现它们能够有效吸附钴离子（作为模型重金属）和油类污染物，为先进的水处理技术提供了一种有前景的解决方案。

引言

聚合物泡沫吸附复合材料（SC）是一类新型吸附材料，与传统吸附剂不同之处在于它们可以利用聚合物成分制造出形状各异的吸附结构。通过将不同类型的吸附剂融入聚合物基体中，SC对有毒物质的吸附范围显著扩大。通常，用于净化水生环境的吸附材料根据其孔径大小（宏观孔、微孔、介孔）进行分类，同时这些材料还具备与被吸附物质相互作用的功能基团（例如活性炭、石墨和沸石[[1], [2], [3], [4]]）。

基于有机成分的过滤元件（如来自植物材料——木质素、淀粉、泥炭和苔藓的废弃物）属于另一类吸附材料。这类材料还包括碳化泡沫聚合物、织物、非织造材料以及含有羧基和羟基的生物吸附剂。

含有聚合物成分和多种类型吸附剂的吸附复合材料的一个关键特征是其分支多孔结构，这种结构可以在聚合物发泡过程中形成。已知有多种方法可以在热分解过程中向聚合物组成中添加产气添加剂，或在聚合物基体中进行产气反应来制备泡沫聚合物[5,6]。利用表面活性剂的高速混合以及酸改性的石墨（OG）的热膨胀发泡技术，可以制造出具有多种功能特性的泡沫聚合物材料[7]。具有亲水性和疏水性的聚合物泡沫吸附复合材料对于净化受有毒物质污染的水体至关重要，因为这些污染物本身也可能具有不同的亲水或疏水性质。水溶性金属盐和油类污染物是通过吸附复合材料从水中去除的两类典型物质。

这些复合材料中金属离子的吸附机制基于沉淀反应（M⁺ + OH^? → MOH），该反应发生在聚合物基体内部。凝胶在碱性环境（KOH）中合成，使聚合物网络负载上氢氧根离子。当暴露于含有金属阳离子（如Co²⁺）的溶液中时，不溶性的金属氢氧化物会在泡沫复合材料的孔隙中直接沉淀。这种方法通过研究凝胶中的扩散和反应动力学得到了验证[8]。这种通过其他沉淀反应实现吸附的过程也是可行的。

本研究采用了两种方法制备多孔聚合物泡沫吸附复合材料。第一种方法使用泡沫丙烯酰胺凝胶，并在微波加热下加入各种吸附剂；第二种方法使用酸氧化石墨（OG）[10]，这类材料因其优异的吸附性能和可调的表面化学性质而受到广泛认可[4]。加热过程中石墨颗粒会发生热膨胀并释放气体，从而形成具有石油产品吸附能力的泡沫复合材料。

微波化学是物理学与化学交叉领域的发展方向[[11], [12], [13]]。它利用长度在1毫米到1米范围内的电磁波对固体和液体样品进行化学转化。与通过热传导或超声波加热不同，微波辐射可以加速许多化学反应，并使液体和固体样品快速升温。

为了准确描述基于聚丙烯酰胺凝胶制备试剂的悬浮液在微波下的加热过程，还需要进一步研究悬浮液对电磁辐射的吸收情况、聚合引发剂的分解过程以及悬浮液沸腾时的气体生成过程。

将发泡悬浮液与丙烯酰胺系统的聚合结合，可制备出泡沫复合材料。

本研究的目的是利用两种方法制备含有吸附组分的泡沫聚合物复合材料，并评估其吸附性能。

材料

本研究使用了以下材料：丙烯酰胺和N,N-亚甲基双丙烯酰胺（Roanal，匈牙利）、过硫酸钾（高纯度，德国）、NaOH、KOH、氧化锰（Khimmed，俄罗斯）、壳聚糖（Bioprogress LLC，俄罗斯）、乙酸（化学纯度，Khimmed，俄罗斯）、硝酸钴（化学纯度，Khimmed，俄罗斯）、石墨（Taiginskoye矿床）、硫酸和硝酸（化学纯度，Khimmed，俄罗斯）、聚乙烯、塑化聚氯乙烯等。

结果与讨论

在微波炉中加热悬浮液的过程中，制备出了含有不同吸附组分的泡沫丙烯酰胺复合材料。30–60秒的微波加热可使液体成分加热至沸点并产生气体。加热过程中同时发生两个现象：组分发泡以及丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺在聚合引发剂（过硫酸钾）的作用下发生自由基聚合，从而形成泡沫。

结论

本研究旨在开发用于去除两种对水生环境有严重影响的污染物的吸附泡沫复合材料：金属盐和油类污染物。因此，本研究的目的是探索解决水污染问题的可行方法。吸引相关企业的参与将有助于这些吸附结构的研发和生产。

本研究证明了这种复合材料的可行性。

作者贡献声明

V.N. 戈尔申涅夫：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证、方法设计、实验设计、数据分析、概念构建。V.V. 科列索夫：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法设计、数据分析。M.A. 雅科夫列娃：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、实验设计、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了俄罗斯联邦科学与高等教育部（项目编号：122041400110-4和FFWZ-2025-0001）的财政支持。