纳米二氧化锰植入两性离子多孔水凝胶高效去除水中铊(I)的机制与应用研究

针对铊(Tl(I))污染水体治理难题，浙江大学团队创新性地构建了纳米MnO2 @PAAm-zw两性离子多孔水凝胶吸附材料。该材料通过抑制MnO2 纳米颗粒聚集，实现336.5 mg·g-1 的超高吸附容量和99.92%去除率，残存量低至4.5 μg·L-1 ，且可重复使用5次以上。研究揭示了Tl+ -Mn4+ 氧化还原反应机制，为重金属污染治理提供了新策略。

　　

铊(Tl)作为比汞、镉等更具毒性的重金属，其在水体中的存在对生态环境和人类健康构成严重威胁。尤其是一价铊(Tl(I))，因其与钾离子相似的离子半径(1.49 ?)和高溶解度，传统处理方法难以有效去除。尽管二氧化锰(MnO₂
)纳米材料展现出良好的吸附潜力，但颗粒聚集导致的活性位点减少严重制约其实际应用。

针对这一难题，宁波大学的研究团队在《Talanta》发表了一项突破性研究。他们创新性地将纳米MnO₂
植入两性离子(ammonium propyl sulfonate, zw)修饰的聚丙烯酰胺(polyacrylamide, PAAm)水凝胶中，成功开发出具有三维多孔结构的纳米MnO₂
@PAAm-zw复合材料。该材料通过冷冻干燥技术形成23.8 nm的介孔结构，比表面积达5.06 m²
/g，有效解决了纳米颗粒聚集问题。

研究采用的关键技术包括：原位聚合法合成复合材料、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定锰负载量、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)表征官能团、以及批量吸附实验评估性能。特别考察了pH值、竞争离子等因素对吸附的影响。

材料表征与性能优化
通过调控MnO₂
负载量(4.9-16.5%)，材料展现出梯度吸附性能。最优样品在400分钟内达到吸附平衡，残存Tl(I)浓度仅为4.5 μg·L^-1
，远低于中国最严格的2 μg·L^-1
标准。Freundlich等温模型拟合表明其具备多分子层吸附特征。

抗干扰性能
在含Na⁺
、K⁺
、Ca²⁺
等竞争离子的模拟水样中，材料对Tl(I)的吸附容量仍达竞争离子的928.6-41.43倍。这种卓越的选择性源于Tl⁺
与Mn⁴⁺
的特异性氧化还原反应，该机制通过X射线光电子能谱(XPS)证实生成了Tl³⁺
氧化物。

再生性能
经过5次吸附-解吸循环后，材料仍保持86%的初始效率。两性离子基团产生的"盐响应效应"使材料在NaCl溶液中可快速释放吸附的Tl，实现温和再生。

这项研究不仅开发出目前性能最优的Tl(I)吸附剂，更重要的是提出了"纳米材料分散-氧化还原协同"的新策略。其创新点在于：1)利用两性离子水凝胶的三维网络抑制MnO₂
聚集；2)首次明确Tl(I)去除的电子转移机制；3)实现吸附容量与选择性的双重突破。该技术为其他重金属污染治理提供了普适性思路，具有显著的环境和经济效益。