冰模板化学/物理双交联纳米甲壳素水凝胶的制备及其高效去除微塑料性能研究

本研究针对传统过滤材料制备复杂、机械性能差等问题，通过冰模板化学交联（FO）与氨气相物理交联（DEChN）协同策略，开发了具有高机械强度（存储模量达3110.34?Pa）和分级孔结构的纳米甲壳素水凝胶，实现了微塑料（~3?μm）近100%去除率（通量8.22?ml?cm?2?h?1），为水净化提供了低成本、可规模化解决方案。

　　

微塑料污染已成为全球性环境挑战，传统过滤材料如活性炭吸附效率有限，而纳米纤维气凝胶虽性能优异却面临制备繁琐（如-80℃冷冻干燥）、机械强度不足等瓶颈。现有生物质基材料虽环保，但难以兼顾高效过滤与简易制备。针对这一难题，中国国家自然科学基金资助的研究团队创新性地将纳米甲壳素（DEChN）与甲醛（FO）通过冰模板化学交联结合氨气相物理交联，构建了具有双重增强机制的纳米复合材料。

研究采用冰模板定向冷冻技术诱导纳米甲壳素自组装，同步引入甲醛交联氨基形成共价网络，再通过氨气扩散触发物理交联。关键实验包括：动态机械分析（DMA）量化凝胶强度，氮吸附测试表征孔隙结构，以及定制微塑料（3?μm）过滤系统评估性能。

材料与方法
纳米甲壳素悬浮液（DEChN，长517.08?nm，脱乙酰度22.34%）与甲醛按不同比例（10:1至1:1）混合，经-20℃冷冻后氨气处理实现双交联。

结果与讨论

1. 机械性能突破：双交联使DEChN(5)/FO(1)存储模量达3110.34?Pa，较单一化学交联提升5倍，归因于共价网络与物理缠结协同作用。
2. 结构优势：双交联形成大孔径（~50?μm）贯通通道，比表面积优化至15.6?m²/g，促进微塑料截留。
3. 过滤效能：通量8.22?ml?cm^?2?h^?1远超传统膜材料（<5?ml?cm^?2?h^?1），且重复使用10次后效率保持>95%。

结论
该研究通过仿生多尺度交联策略，实现了纳米甲壳素水凝胶“强度-孔隙-效率”的协同优化。相较于需精密调控的气凝胶（如丝素蛋白气凝胶），本方案仅需常规冷冻设备即可制备，成本降低60%。成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》，为绿色水处理技术提供了可产业化的新范式。