超交联聚苯乙烯吸附剂MN系列的多级孔结构表征及其对金属离子和有机污染物的协同去除机制

本研究针对水处理中金属离子和有机污染物的协同去除难题，系统考察了工业级超交联聚苯乙烯吸附剂（MN-200DR、MN-270）及其衍生离子交换剂（MN-500、MN-100、MN-270?s）的多级孔结构特征。通过N2/Ar/CO2吸附实验结合显微分析技术，首次揭示了0.5-500?nm五级孔道分布规律，发现含0.5?nm超微孔的MN-270对重金属吸附效率最优，为开发多功能水净化材料提供了理论支撑。

　　

随着工业废水成分日趋复杂，传统吸附材料对重金属离子和有机污染物的协同去除效率低下成为环境治理的瓶颈。现有吸附剂往往存在孔径分布单一、比表面积不足等问题，特别是对尺寸差异显著的污染物（如0.5?nm级重金属离子与数纳米级有机分子）难以实现同步捕获。

研究人员以工业级超交联聚苯乙烯（hypercrosslinked polystyrene）吸附剂MN系列为研究对象，通过多尺度孔结构精准调控，系统考察了MN-200DR、MN-270等材料及其衍生离子交换剂（MN-500、MN-100、MN-270?s）的吸附性能。研究创新性地采用三气联用表征策略（N₂/Ar/CO₂吸附），结合电子扫描显微镜（SEM）、红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）等分析手段，首次完整解析了这类材料的五级孔道系统：0.5?nm超微孔、0.8?nm窄微孔、2.1±0.2?nm介孔、4.2±0.2?nm中大孔及50-500?nm宏孔。

关键实验技术包括：气体吸附法测定比表面积和孔径分布（BET/BJH理论），电子显微技术观测表面形貌，光谱分析官能团变化，以及批量吸附实验评估酚类和金属离子的去除效率。

【孔结构特征】
MN-270展现出最发达的微孔系统（<1?nm），比表面积达680?m²?g^-1，其0.5?nm超微孔对Cd²⁺、Pb²⁺等金属离子表现出特异性捕获能力。相比之下，磺酸型阳离子交换剂（如MN-500）因功能基团占据孔道，微孔表面积降至200-400?m²?g^-1。

【吸附性能】
在酚类吸附实验中，2.1?nm介孔主导的MN-200DR表现最优；而对金属离子吸附，含0.5?nm超微孔的MN-270和MN-100效率提升40%以上。这种"尺寸-功能"协同效应源于超微孔对离子的尺寸筛分作用与交联网络提供的配位位点。

【结构-性能关系】
XRD分析揭示材料具有非晶态特征，FTIR证实磺酸基团（—SO₃H）的引入增强了离子交换容量。SEM图像显示50-500?nm宏孔形成的贯通网络显著改善了传质效率。

该研究建立了多级孔-多功能团协同作用模型，证实0.5?nm超微孔是重金属吸附的关键限域空间，而2-4?nm介孔更适合有机分子扩散。这一发现为设计"宽谱捕获"型水处理材料提供了新思路：通过精确调控0.5-4?nm梯度孔道与功能基团分布，可实现对多元污染物的同步高效去除。论文成果发表于《Reactive and Functional Polymers》，为环境功能材料的理性设计奠定了理论基础。