超临界干燥法制备纳米结构壳聚糖气凝胶珠高效吸附亚甲基蓝染料的研究

推荐：本研究针对合成染料废水污染问题，通过超临界CO2干燥技术制备纳米结构壳聚糖(Chitosan)气凝胶珠，系统考察pH、温度、吸附剂用量对亚甲基蓝(MB)去除的影响。结果表明，在pH=8、25°C条件下，该吸附剂饱和容量达196.538 mg/g，多步吸附效率达88.0±1.1%，且可重复使用5次仍保持88.0±3.2%吸附性能，为水处理提供新型环保材料。

　　

合成染料污染是当前环境治理的重大挑战，其中亚甲基蓝(MB)作为典型阳离子染料，具有致癌性和生态毒性。传统处理方法如生物降解易产生二次污染，化学氧化能耗高，而常规吸附材料如活性炭存在孔隙率低、再生困难等问题。壳聚糖(Chitosan)虽具有生物相容性和丰富官能团，但普通干燥工艺会破坏其纳米结构，限制吸附性能。

意大利萨勒诺大学(University of Salerno)工业工程系的研究团队创新性地采用超临界CO₂(SC-CO₂)干燥技术，制备出具有珍珠项链状纳米结构的壳聚糖气凝胶珠。这种材料通过pH诱导凝胶化形成三维网络，经梯度溶剂置换和200 bar、35°C的超临界干燥后，获得比表面积达113 m²/g、孔隙率99.3%的轻质材料。研究论文发表在《The Journal of Supercritical Fluids》，为解决染料污染提供了高效可持续的方案。

关键技术包括：(1)采用18G针头滴制成型制备直径2.6±0.5 mm的凝胶珠；(2)多步乙醇置换实现水凝胶-溶胶凝胶转变；(3)SC-CO₂干燥保留纳米孔隙；(4)紫外分光光度法监测MB吸附动力学；(5)EDX和FT-IR表征吸附机制。

【3.1 壳聚糖气凝胶珠】
FESEM显示材料具有分级孔隙结构，外部中值孔径167 nm，内部189 nm。氮吸附测试揭示其含5.34 nm介孔，符合H3型滞后环特征。零电荷点(pH_PZC)=7的特性使其在碱性条件下对MB具有最佳静电吸附。

【3.2 吸附实验】
pH=8时吸附效率达68.0±1.3%，25°C下为最优温度。吸附剂用量1 g/L时，10 ppm MB溶液在3小时内达到平衡。多步吸附策略使总效率提升至88.0±1.1%，EDX证实MB均匀分布于气凝胶内部。

【3.3 吸附等温线与动力学】
Sips模型拟合最佳，饱和容量196.538 mg/g远超常规壳聚糖材料。伪二级动力学(R²=0.998)表明化学吸附主导，Weber-Morris分析显示68%吸附在10分钟内完成，intraparticle扩散系数为5.45×10^-9 cm²/s。

【3.4 对比分析】
相较于冻干壳聚糖(54.05 mg/g)和热风干燥材料(0.0088 mg/g)，气凝胶珠的饱和容量提升3-200倍。五次吸附-丙酮脱附循环后仍保持88%效率，FESEM证实纳米结构未明显坍塌。

该研究首次证明超临界干燥制备的纯壳聚糖气凝胶珠可实现高效染料吸附，无需添加交联剂或纳米填料。其珍珠项链状纳米结构提供丰富活性位点，珠状形态加速传质，为设计环保型水处理材料提供新思路。未来可通过填充柱实验进一步验证工业化潜力，或引入选择性纳米粒子处理复杂废水体系。