基于SiO2/壳聚糖杂化气凝胶的高效铜离子吸附机制研究及其环境修复应用

针对水体铜离子污染治理难题，研究人员创新性地采用正硅酸乙酯(TEOS)和壳聚糖制备有机-无机杂化气凝胶，通过结构调控实现81%的铜离子去除率(吸附量达35.72 mg/g)，揭示其静电吸引与C-O-Cu/Cu-NH2化学协同作用机制，为重金属污染治理提供低成本高效解决方案。

　　

随着工业发展带来的重金属污染日益严重，水体中铜离子(Cu²⁺)的去除成为全球性环境难题。传统处理方法面临效率低、成本高、二次污染等问题，而单纯二氧化硅(SiO₂)气凝胶虽具高比表面积却存在机械性能差的应用瓶颈。湖北汽车工业学院的研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表创新成果，通过将天然高分子壳聚糖与SiO₂复合，成功开发出兼具优异吸附性能和结构稳定性的杂化气凝胶。

研究采用溶胶-凝胶法结合冷冻干燥技术，系统考察了壳聚糖含量(0-40 wt%)对材料孔隙率、密度及吸附性能的影响。通过扫描电镜(SEM)观察到杂化气凝胶形成均匀纳米多孔结构，当壳聚糖含量达40 wt%时，材料对Cu²⁺的吸附量提升至35.72 mg/g，去除效率达81%。热力学分析显示该过程为自发放热反应(ΔH°=-13.1 kJ/mol)。傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)证实吸附机制包含静电吸引及C-O-Cu/Cu-NH₂配位作用。

【材料制备】以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，与不同比例壳聚糖共混，经酸催化水解、氨水凝胶化、溶剂置换及冷冻干燥获得系列杂化气凝胶。

【结构表征】SEM显示纯SiO₂气凝胶为致密球形颗粒堆积，而杂化材料呈现三维贯通网络结构；BET测试证实壳聚糖引入显著提升比表面积(最高达512 m²/g)。

【吸附性能】动力学符合准二级模型，等温线拟合表明为单分子层化学吸附。壳聚糖的-NH₂基团通过孤对电子与Cu²⁺的d空轨道配位，SiO₂的硅羟基(Si-OH)则提供静电吸附位点。

【机械性能】壳聚糖的引入使材料压缩强度提升3倍，解决传统气凝胶易碎问题。

该研究创新性地构建了"有机骨架-无机网络"协同作用体系，Li Hai-Feng等作者通过精确调控组分比例，使材料兼具高吸附容量和结构稳定性。相较于传统吸附剂，该气凝胶可生物降解、制备成本降低40%，在矿山废水处理、工业重金属回收等领域展现出重要应用价值。特别是提出的双重吸附机制为设计新型环境修复材料提供了理论指导，其低温(<60°C)再生特性更符合绿色可持续发展理念。