高机械强度壳聚糖/高岭土复合水凝胶高效选择性吸附铜离子的可持续资源化研究

为解决工业废水中Cu2+污染问题，研究人员通过三维组装策略开发了壳聚糖/高岭土纳米片复合水凝胶（CKNH–0.2），其最大吸附容量达261.69?mg/g，选择性去除率72%，且循环5次后效率仍超85%。该材料兼具机械强度（拉伸应变>300%）与热稳定性（300?℃失重减少18%），通过配位键、静电吸引和离子交换三重协同机制实现高效选择性吸附，为重金属废水治理提供了低成本、可持续的解决方案。

　　

随着工业化进程加速，铜离子（Cu²⁺）通过电镀、冶金等行业废水进入环境，其生物富集性威胁生态系统和人类健康。尽管传统方法（如化学沉淀、膜过滤）可去除重金属，但存在高能耗、二次污染等瓶颈。壳聚糖（CS）因其氨基/羟基的螯合能力被视为理想吸附剂，但机械强度差、再生性能低限制了实际应用。如何开发兼具高效吸附、选择性和结构稳定性的材料，成为环境领域的关键挑战。

郑州大学的研究团队创新性地将剥离高岭土纳米片（KN）与壳聚糖复合，通过自由基聚合法构建三维网络结构水凝胶（CKNH）。该材料在pH=5、25℃条件下对Cu²⁺的吸附容量达261.69?mg/g，且在Ni²⁺/Co²⁺/Zn²⁺/Mn²⁺共存体系中保持72%选择性。研究通过X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和密度泛函理论（DFT）计算揭示了–NH₂/–OH/–COOH基团的配位主导作用，辅以静电吸引和离子交换的协同机制。论文发表于《Carbohydrate Polymers》。

关键技术方法

1. 高岭土纳米片剥离：通过物理化学法获得单层KN，厚度降至1.2?nm，比表面积显著增加；
2. 自由基聚合合成：以N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（NMBA）为交联剂，低温高效构建三维网络；
3. 多尺度表征：结合原子力显微镜（AFM）和热重分析（TGA）验证KN增强的机械/热稳定性；
4. 批量吸附实验：考察pH、温度、竞争离子对Cu²⁺去除的影响；
5. 理论计算：通过DFT模拟Cu²⁺与活性位点的结合能。

研究结果
Morphological characterization of kaolinite before and after exfoliation
AFM显示剥离后KN厚度从300?nm降至1.2?nm，比表面积提升5.7倍，暴露更多硅氧烷/Al–OH活性位点。

Adsorption performance
CKNH–0.2在30分钟内达到吸附平衡，符合准二级动力学模型，表明化学吸附主导。Langmuir模型拟合的饱和吸附量（261.69?mg/g）远超纯壳聚糖（147?mg/g）。

Selectivity mechanism
XPS证实Cu²⁺优先与–NH₂形成Cu–N键（结合能399.8?eV），DFT计算显示其与–COOH的结合能（?2.89?eV）显著低于其他金属离子。

Conclusion
该研究通过KN与CS的协同效应，实现了吸附容量、选择性和机械强度的三重突破。材料成本仅为石墨烯基吸附剂的1/5，且合成过程符合绿色化学原则。其“吸附-解吸”循环稳定性为重金属资源回收提供了工业化应用潜力，尤其适用于多金属离子共存的实际废水体系。

讨论
KN的层状结构不仅作为物理交联点提升材料稳定性，其表面负电荷还通过静电作用预富集Cu²⁺。相较于Fe₃O₄-CS-石墨烯复合材料，CKNH在保持相近性能的同时大幅降低成本。未来研究可探索KN与其他生物高分子的复合策略，进一步拓展其在复杂介质中的适用性。