《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Rapid removal of boron from liquid media using wood-based functional materials modified with
N-methyl-D-glucosamine
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利用木材表面羟基和分级孔道结构，通过NMDG接枝改性制备出新型硼吸附剂，该材料具有高吸附容量（>58 mg·g?1）、快速动力学（90分钟内饱和）和优异的选择性，在处理盐湖卤水时表现出良好的应用潜力。
高飞宇|孙鹏宇|杜晓|金有才|薛继民|陈伟
青海师范大学化学与化学工程学院，中国西宁810016
摘要
木材作为一种广泛可获得的可再生资源，在许多领域得到了广泛应用。利用其表面丰富的羟基和独特的层次孔结构，将具有独特硼酸/硼酸盐螯合特性的功能单体N-甲基-D-葡糖胺（NMDG）接枝到木材表面，成功制备了NMDG改性的木质功能材料（Wood-NMDG）。当这种材料用于水中的硼吸附时，研究发现溶液pH值和硼浓度对其吸附性能有显著影响。对其吸附动力学、吸附等温线和热力学的研究表明，该材料具有优异的吸附能力和快速的吸附动力学。经过盐湖卤水吸附后，显示出出色的选择性和特异性。使用模拟海水的动态吸附研究表明，其突破时间为42小时。根据世界卫生组织对饮用水中硼浓度的标准，该材料将海水处理为饮用水的容量达到了2520 L·kg–1。然而，循环实验表明材料的吸附性能有所下降。尽管如此，考虑到木材作为原材料的丰富可用性、低成本和易于改性，Wood-NMDG在海水淡化、饮用水生产和灌溉水处理方面具有广泛的应用前景。
引言
尽管硼及其化合物是重要的工业原料，但在工业过程中的利用不足以及对含硼材料的非环保后处理导致它们最终释放到自然环境中，从而增加了水体和土壤中的硼含量[1]、[2]。通过直接饮水和生物循环，硼会在人体和其他生物体内积累。一旦其浓度超过安全限值，就会对生命系统造成毒性影响。在人类中，轻度硼中毒可能导致食欲减退、消化不良、恶心、呕吐、皮疹和红斑，而严重情况则可能对生殖系统、发育系统、内分泌系统和神经系统造成不可逆的损害[3]、[4]、[5]。对于植物来说，过量的硼会导致叶片黄化、灼伤、根系发育不良、枯萎、果实变形和产量减少[4]。因此，去除水中的硼对于确保生物体的健康生长至关重要。世界卫生组织（WHO）对饮用水中的硼含量制定了严格的限制，许多国家和地区也根据当地情况制定了相应的法规[6]。
随着新材料的出现和工业技术的进步，目前的硼去除方法包括电凝聚、反渗透、吸附、电渗析、沉淀、离子交换和溶剂萃取[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。其中，吸附方法因其简单性、低成本和高去除效率而备受关注，成为研究最广泛的方法[2]、[14]。基于吸附的硼去除依赖于吸附剂与水中硼物种之间的物理或化学相互作用（如静电结合或螯合），随后将吸附剂从水中分离出来[2]、[14]。研究表明，羟基可以与硼酸或硼酸盐形成复合物[15]、[16]，从而开发出各种无机、有机、复合和天然吸附剂。值得注意的是，发现邻位/间位羟基可以与硼酸/硼酸盐形成稳定的五元或六元环酯，这使得可重复使用的吸附剂的制备成为可能。最近的研究集中在使用多羟基化合物（如N-甲基-D-葡糖胺（NMDG）、儿茶酚和缩水甘油）作为功能单体，以及乙烯基聚合物（如丙烯腈、苯乙烯）或商业树脂/载体作为骨架来合成硼特异性、可回收的吸附剂[17]、[18]、[19]、[20]。特别是，一些以NMDG为功能单体的吸附剂已经开发出来，相关研究总结在表1中。
然而，在实际应用中，吸附动力学仍然是提高生产和效率的关键因素。对于表1中列出的大多数材料，达到吸附饱和通常需要2~5小时，有些甚至超过8小时。因此，除了提高吸附容量和选择性外，改进吸附动力学对于设计硼吸附剂也非常重要。
木材作为一种可再生资源，在自然界中储量丰富。其易于加工和优异的机械性能使其在建筑、造纸、装饰等领域得到广泛应用[26]、[27]。此外，木材富含极性羟基，具有天然的亲水性，这使其能够作为多种应用的功能材料基底。值得注意的是，木材具有多尺度层次结构，包括毫米级的年轮、微米级的导管和细胞腔以及纳米级的纤维素纤维，为水和其他物质的传输提供了通道[28]、[29]。利用木材的微孔结构和表面羟基，本研究在木材表面引入了能够与活性氢反应的功能基团。通过用NMDG（一种硼特异性螯合剂）对木材进行改性，我们开发了一种新型的木质功能材料，用于快速去除水中的硼。这种方法旨在实现高吸附容量和选择性，同时保证快速的吸附动力学。
材料
硼酸（≥99.5%）、三氟化硼二乙醚（≥98%）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF，≥99%）购自Aladdin Chem. Co., Ltd.（中国）。环氧氯丙烷（≥98%）购自天津Xiens Biochemical Technology Co., Ltd.（中国）。N-甲基-D-葡糖胺（NMDG，≥98%）购自上海Macklin Biochemical Co., Ltd.（中国）。木材（椴木）来自中国辽宁省大兴安岭。盐湖卤水取自中国青海省查卡盐湖。
木质功能材料的制备
木材
合成与表征
木材来源广泛、价格低廉、经济环保且可再生。在自然形成过程中，木材形成了独特的层次孔结构和优异的机械性能。木材主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，表面含有丰富的羟基功能团[31]、[32]。利用这些基团与各种物质发生化学反应的能力，对木材表面进行了改性
结论
总之，通过NMDG表面改性制备的功能化木质材料表现出优异的从水溶液中去除硼的性能。吸附容量超过了58 mg·g–1，并且材料表现出出色的选择性。与其他研究相比，其吸附性能更优。木材的层次孔结构使其能够实现快速吸附效率，在90分钟内达到饱和，这是非常有益的
CRediT作者贡献声明
孙鹏宇：撰写——初稿、可视化、数据分析。高飞宇：撰写——初稿、可视化、数据分析。金有才：验证、数据分析。杜晓：验证、形式分析、数据分析。陈伟：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、项目管理、方法学、资金获取、概念化。薛继民：方法学、形式分析
利益声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了青海省应用基础研究项目（2023-ZJ-774）的财政支持。
