编辑推荐：
工业污染致水污染严重，重金属离子威胁大。研究人员制备竹纤维 / 壳聚糖复合气凝胶（BF/CSA）用于捕获 Cr (VI) 和 Cu (II)。BF/CSA-2 吸附效果好、可重复使用，揭示了吸附机制。该研究推动生物质气凝胶用于净水。
在现代社会，工业制造和各类社会经济活动在提升人们生活水平的同时，也给环境带来了沉重的负担，尤其是水污染问题日益严峻。其中，重金属离子凭借其高毒性、易积累和强渗透性，成为水污染治理中的 “顽固分子”。就像 Cu (II)，一旦人体摄入过量，胃痉挛和神经损伤等健康问题便会接踵而至；而 Cr (VI) 更是 “狠角色”，它不仅会损害人体内部器官，还可能诱导基因突变，引发各种严重疾病。
目前，用于去除废水中重金属离子的技术多种多样，比如絮凝沉淀、过滤膜分离、离子交换以及光催化还原等。然而，这些技术或多或少都存在一些短板。有的金属去除率低，有的再生能力差，还有的不仅运营成本高，操作过程还十分复杂。在这样的困境下，吸附法凭借其设计灵活、操作简便和成本效益高的优势，逐渐进入人们的视野。而气凝胶相较于传统的粉末或颗粒状吸附剂，在分离和回收方面更具优势，成为废水重金属处理领域的 “潜力股”。在众多气凝胶中，生物质基气凝胶因制备简单、成本低廉且可生物降解，在吸附领域备受青睐。
壳聚糖（CS）作为一种源自小龙虾壳等天然材料的物质，具有生物降解性、亲水性、生物相容性和高化学反应性等优点，是合成气凝胶的优质材料，在吸附和油水分离等领域应用广泛。但美中不足的是，纯 CS 基气凝胶（CSA）存在机械强度低、在酸性介质中稳定性差的问题。纤维素则是生产生物质气凝胶的理想原料，其具有高强度、高刚性和线性结构的特点，基于纤维素的气凝胶往往拥有出色的机械性能。从天然纤维中获取纤维素来开发环保产品，还能降低能耗和减少环境污染。在天然纤维里，植物基纤维最为常见，常被用作聚合物复合材料的增强材料。像从菠萝叶、芦苇和棉花中提取纤维素，并与 CS 结合制备吸附剂的研究屡见不鲜，但将竹纤维（BF）和 CS 结合用于气凝胶去除重金属离子的研究却从未有过报道。
为了填补这一研究空白，来自云南大学的研究人员展开了深入探索。他们成功制备出一种新型的生物质复合气凝胶 —— 竹纤维 / 壳聚糖气凝胶（BF/CSA），并对其性能、吸附效果及吸附机制进行了全面研究。该研究成果发表在《Applied Surface Science》上，为水污染治理领域带来了新的曙光。
研究人员在这项研究中主要运用了以下几种关键技术方法：首先，通过扫描电子显微镜（SEM）对 BF、CSA 和 BF/CSA 的形态和微观结构进行观察；其次，利用吸附等温线和动力学模型分析吸附行为；再者，借助傅里叶变换红外光谱（FTIR）和 X 射线光电子能谱（XPS）等手段，深入探究吸附机理；最后，运用密度泛函理论（DFT）计算 Mulliken 电荷分布、分子静电势（MEP）和吸附能，从理论层面进一步阐释吸附过程。
下面来看具体的研究结果：
- 材料制备与特性：研究人员采用溶胶 - 凝胶法结合冷冻干燥技术，制备出了 BF/CSA 气凝胶。通过观察发现，处理后的 BF 呈现出清晰的纤维结构，成功去除了木质素。而纯 CSA 具有光滑明亮的表面和堆叠的层状结构。在探索最佳材料比例的过程中，发现 BF/CSA - 2 表现尤为突出，它不仅密度低（0.0405 g/cm3），还展现出优异的机械强度和较强的耐酸性。这意味着在实际应用中，它能够更好地适应复杂的环境条件，为后续的吸附工作奠定了良好的基础。
- 吸附性能研究：在研究不同因素对吸附性能的影响时，研究人员发现，BF/CSA - 2 在 pH = 2 时对 Cr (VI) 的吸附效果极佳，去除效率高达 94%；在 pH = 5 时对 Cu (II) 的去除效率也能达到 85%。进一步研究还得到了它们相应的最大吸附容量，Cr (VI) 为 162.10 mg/g，Cu (II) 为 138.97 mg/g 。而且，BF/CSA - 2 的重复使用性能也十分出色，连续重复使用 5 次后，对重金属离子的去除效率仍能保持在 70% 以上。这表明该材料在实际废水处理中具有较高的实用价值，可以有效降低处理成本。
- 吸附机制探究：通过吸附等温线和动力学分析，证实了该材料对重金属离子的吸附过程主要为化学吸附。利用 FTIR 和 XPS 等技术，研究人员发现吸附过程涉及到络合、静电吸引和还原等多种作用。DFT 计算结果显示，Cr (VI) 和 Cu (II) 在 BF/CSA - 2 上的吸附能分别为 - 196.473 kcal/mol 和 - 121.964 kcal/mol，从理论上进一步支持了上述吸附机制。这一系列研究结果，为深入理解吸附过程提供了坚实的理论依据。
综合上述研究结果，研究人员得出以下结论：他们成功制备了一种环保型气凝胶 BF/CSA - 2，该气凝胶在捕获 Cr (VI) 和 Cu (II) 方面表现卓越，具有较高的吸附容量和良好的重复使用性。其吸附行为符合 Langmuir 等温线和准二级动力学模型，说明以单层吸附和化学吸附为主。通过多种实验技术和理论计算，明确了吸附机制涉及络合、静电吸引和还原等过程。
这项研究意义重大，它不仅为开发可规模化生产、可持续的生物质基气凝胶用于水净化提供了新的方向，还为解决实际水污染问题提供了一种高效、低成本且环保的材料选择。BF/CSA - 2 气凝胶有望在未来的废水处理领域发挥重要作用，帮助缓解日益严重的水资源污染问题，保障人们的用水安全。同时，该研究也为其他类似的生物质材料研究提供了宝贵的参考，推动了整个水污染治理领域的发展。
