羧甲基纤维素接枝铜纳米颗粒共聚物纳米复合材料用于固定床吸附与光催化降解水中抗生素的研究

针对水体抗生素污染治理难题，研究人员通过乳液聚合法将羧甲基纤维素(CMC)接枝至甲基丙烯酸甲酯(MMA)/甲基丙烯酸(MA)共聚物网络，并原位合成铜纳米颗粒(Cu-NPs)，开发出兼具吸附与光催化功能的纳米复合材料。该材料对50 mg/L四环素的批量吸附容量达242.46 mg/g，可见光下降解率达87%，为水体抗生素污染治理提供了新型高效解决方案。

　　

抗生素污染已成为全球水环境治理的严峻挑战。四环素类抗生素因其广谱抗菌特性被广泛用于医疗和畜牧业，但约30-90%的给药量会以原形排入环境，导致耐药菌基因扩散和生态链污染。传统水处理技术对低浓度抗生素去除效率有限，亟需开发兼具高效吸附和降解功能的材料。

针对这一需求，印度理工学院的研究团队创新性地将天然多糖羧甲基纤维素(CMC)与合成聚合物结合，通过乳液聚合将CMC接枝到甲基丙烯酸甲酯(MMA)和甲基丙烯酸(MA)的共聚物网络中，并利用抗坏血酸原位还原硫酸铜生成铜纳米颗粒(Cu-NPs)，最终制得三维网络结构的纳米复合材料。该研究通过响应面法优化合成参数，所得材料C5G1Cu（MMA:MA=5:1，1wt%交联剂MBA和1wt%CMC）展现出三重功能：批量吸附容量达242.46 mg/g，固定床吸附去除率32%，可见光催化降解率87%，相关成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》。

关键技术包括：1）采用乳液聚合法构建CMC接枝的MMA/MA共聚物网络；2）通过抗坏血酸还原法原位合成Cu-NPs；3）运用Box-Behnken设计优化材料合成参数；4）结合固定床吸附与光催化降解评估性能。

【材料合成与表征】
通过红外光谱证实CMC成功接枝到共聚物骨架，X射线衍射显示Cu⁰
纳米颗粒的特征峰。扫描电镜显示材料具有多孔结构，比表面积达98.7 m²
/g，孔径分布集中在2-50 nm，为吸附提供充足活性位点。

【吸附性能优化】
响应面分析表明：当MMA:MA摩尔比5:1时，羧基与酯基比例达到最佳平衡，既保证对四环素的氢键结合力，又维持材料亲水性。交联剂MBA含量超过1wt%会导致网络过密，降低四环素扩散速率。

【固定床吸附动力学】
在100 mg/L四环素溶液、20 mL/min流速条件下，Thomas模型拟合显示饱和吸附容量为24.2 mg/g。突破曲线分析表明吸附过程受内扩散控制，提高床层高度可延长突破时间。

【光催化机理】
紫外-可见漫反射光谱显示材料带隙能为2.3 eV，可响应可见光。电子顺磁共振证实光照下产生·OH和·O₂
^-
自由基，Cu-NPs作为电子传输中心加速载流子分离，伪一级动力学常数达0.02 min^-1
。

该研究开创性地将天然聚合物改性、金属纳米颗粒复合与功能单体共聚技术相结合，所开发的材料能同步实现抗生素的高效吸附和光催化降解。特别值得注意的是，原位生成的Cu-NPs与聚合物网络形成化学键合，避免了纳米颗粒团聚和流失问题。相比传统活性炭吸附剂，该材料对四环素的吸附容量提升近5倍，且可通过光催化实现再生循环。研究为水体抗生素污染治理提供了"吸附-降解"协同作用的新思路，对发展绿色水处理技术具有重要指导意义。作者Pampa Debnath和Samit Kumar Ray在讨论部分指出，未来可通过调控Cu-NPs尺寸分布进一步提升量子效率，并建议探索材料对其它新兴污染物的适用性。