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为解决淡水系统中硝酸盐和磷酸盐污染威胁生态与健康的问题，研究人员开发新型纤维素基阴离子交换水凝胶（CAH）。通过实验发现，CAH 对硝酸盐和磷酸盐吸附容量分别达 74.4 mg/g 和 50.3 mg/g，且具良好再生性，为水处理提供可持续方案。
淡水水体中硝酸盐（NO??）和磷酸盐（PO?3?）超标是全球面临的严峻环境问题。农业径流、工业废水等排放导致水体富营养化，藻类暴发性增长消耗溶解氧，破坏水生生态平衡。同时，饮用水中硝酸盐浓度过高会引发婴儿高铁血红蛋白血症（蓝婴儿综合征），长期暴露还可能增加肠癌风险。传统阴离子交换树脂多以聚苯乙烯为基材，合成过程使用环氧氯丙烷等有毒化学品，且难以生物降解，存在环境风险。因此，开发环保、高效的新型吸附材料成为水处理领域的迫切需求。
为解决上述问题，国外研究机构的研究人员开展了纤维素基阴离子交换水凝胶（Cellulose-Based Anion Exchange Hydrogel, CAH）去除水中硝酸盐和磷酸盐的研究。相关成果发表在《Environmental Technology》。
研究人员采用自由基聚合方法制备 CAH，以可再生纤维素为骨架，通过甲基双丙烯酰胺（MBA）交联和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（MTAC）阳离子化功能修饰。研究中使用的关键技术方法包括：通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱等对 CAH 进行结构表征；开展批次吸附实验，考察 pH、吸附剂剂量、初始污染物浓度等因素对吸附效果的影响；运用伪二级动力学模型和 Sips 等温线模型分析吸附机制；通过吸附 - 解吸循环实验评估 CAH 的再生性能。
3.1 CAH 溶胀率和表面性质
CAH 的溶胀率为 5 g/g，平衡时水含量达 83 wt%，高溶胀性使其比表面积增大，暴露更多吸附位点。BET 比表面积为 2.573 m2/g，孔结构以大孔为主，平均孔径 8.66 nm，有利于离子扩散和吸附。
3.2 硝酸盐和磷酸盐吸附性能
CAH 对硝酸盐和磷酸盐的吸附在 30 分钟内快速进行，4 小时达平衡，而商用树脂 Purolite? A520E 需 8 小时。CAH 对硝酸盐和磷酸盐的最大吸附容量分别为 74.4 mg/g 和 50.3 mg/g。硝酸盐吸附效率更高，与硝酸根离子水合能低、水合半径小（0.196 nm）有关，更易与 CAH 表面阳离子位点结合。
3.3 吸附剂剂量的影响
当 CAH 剂量从 0.3 g/L 增加至 1 g/L 时，硝酸盐和磷酸盐去除效率分别从 83% 和 68% 提升至 92% 和 82%，但单位吸附容量下降，表明高剂量下吸附位点未充分利用。
3.4 初始污染物浓度的影响
随初始浓度从 15 mg/L 升至 110 mg/L，硝酸盐去除效率从 92% 降至 66%，但吸附容量从 14 mg/g 增至 74.4 mg/g；磷酸盐去除效率从 82% 降至 46%，吸附容量从 12 mg/g 增至 50.3 mg/g，显示高浓度下吸附剂对污染物的利用效率提升。
3.5 pH 的影响
CAH 在 pH 4-9 范围内性能稳定，硝酸盐吸附容量在 pH≥4 时保持 14 mg/g，磷酸盐在 pH 3-7 时以 H?PO??形式存在，静电作用增强吸附效果，表明 CAH 适用于不同水质条件，无需复杂 pH 调节。
3.6 竞争阴离子的影响
氯离子（Cl?）和硫酸根离子（SO?2?）对吸附有显著抑制作用，因低水合能使其更易与 CAH 表面竞争吸附位点，模拟了实际水体中复杂离子环境对 CAH 性能的影响。
3.7 吸附动力学研究
伪二级动力学模型（PSO）能更好拟合实验数据，表明吸附过程以化学吸附为主，涉及静电吸引和离子交换机制，与 CAH 表面阳离子基团和污染物阴离子的相互作用一致。
3.8 吸附等温线研究
Sips 等温线模型最贴合数据，显示吸附机制兼具单层和多层吸附特征，CAH 表面异质性和离子间协同作用影响吸附平衡，预测的最大吸附容量与实验结果吻合。
3.9 吸附 - 解吸研究
以氯化钠为洗脱剂，CAH 经 10 次循环后硝酸盐吸附容量保持稳定，表明其再生性能优异，氯离子通过静电作用有效置换吸附位点上的硝酸根离子，提升了材料的经济性和可持续性。
3.10 CAH 表征
FTIR、拉曼光谱和 XRD 证实 CAH 成功引入阳离子功能基团，吸附后特征峰变化表明离子交换发生；扫描电镜（SEM）显示吸附后表面平滑，印证污染物与表面基团的结合。
3.11 吸附机制
CAH 通过静电吸引和离子交换去除污染物，表面季铵基团（-N?(CH?)?）与硝酸根、磷酸根发生离子交换，释放氯离子（Cl?），zeta 电位变化和离子浓度监测验证了这一机制。
研究表明，CAH 作为一种基于可再生纤维素的环保吸附材料，在硝酸盐和磷酸盐去除中表现出高效性、稳定性和可重复性，且合成过程避免使用有毒试剂，符合循环经济和可持续发展目标。其潜在应用不仅限于水处理，废弃 CAH 还可通过堆肥实现养分循环，用于农业生产。该研究为解决水体富营养化问题提供了创新思路和技术支持，推动了绿色环保型水处理材料的发展。
