《Journal of Molecular Liquids》：Physical-chemical parameters on the hydrolysis of polyacrylamide-based hydrogels using an experimental design
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离子水凝胶吸附重金属机理及制备工艺优化研究。采用正交实验法考察温度、碱浓度、水解时间对聚丙烯酰胺基水凝胶性能的影响，发现25℃下1h水解及1mol/L NaOH处理时吸水率达470g/g，铜离子去除能力达200mg/L，并形成半互穿/互穿网络结构。
安德里莎·雷纳塔·西蒙（Andressa Renatta Sim?o）| 米歇利·克里斯蒂娜·加尔迪奥利·佩拉（Michelly Cristina Galdioli Pellá）| 马科斯·罗伯托·毛里西奥（Marcos Roberto Mauricio）| 吉列尔梅·米兰达·佩雷拉（Guilherme Miranda Pereira）| 埃德瓦尼·库尔蒂·穆尼兹（Edvani Curti Muniz）| 艾德利·福尔蒂·鲁比拉（Adley Forti Rubira）
巴西巴拉那州马林加市马林加州立大学化学系，地址：Colombo大道5790号，邮编87020-900
摘要
离子水凝胶等吸附材料被用作去除重金属的替代方案，其基质中存在的负电荷能够吸引金属离子的正电荷，从而减少这些污染物对环境的影响。本研究的目的是基于聚丙烯酰胺（PAAm）制备离子水凝胶，通过2^3设计实验（包含三个中心点）来探讨温度、碱浓度和水解时间对水凝胶性能的影响，具体观测指标包括水凝胶的膨胀程度及其去除硫酸铜的能力。实验结果显示，在25°C和1 mol L^-1 NaOH浓度下处理1小时的水凝胶具有最高的吸水率（470 g g^-1），热重分析（TGA）显示该水凝胶形成了半互穿网络（semi-IPN）和IPN网络结构。膨胀程度最高的水凝胶能够从溶液中去除200 mg L^-1的铜离子，这一效果超过了现有文献中的报道。研究数据为评估温度、浓度和时间对水解过程的影响提供了依据，表明该水凝胶材料具有从水体中去除金属污染物的潜力。
引言
当前全球面临诸多环境问题，其中河流流域的污染尤为严重，这主要是由于工业废物处理不当所致。冶金、涂料和采矿等行业产生的废物含有大量重金属，具有高度毒性[[1], [2], [3]]。若不加以妥善处理，这些金属会污染水体，破坏生态系统的平衡，并增加生物体接触污染物的风险[[4], [5], [6]]。
铜、汞、铅和镉是极易溶于水且容易被生物体吸收的重金属。这些金属可通过摄入受污染的水或海鲜等途径引发严重的健康问题，如肾毒性、神经毒性和心血管毒性[[7]]。因此，必须对含有重金属的废物进行妥善处理。
铜在生物体的呼吸过程中以及工业应用中都具有重要意义。然而，多项研究表明，若处理和处置不当，这些金属会对植物和动物细胞造成损害[[8,9]]。长期暴露于这些污染物会导致其在体内积累，达到人体无法清除的水平[[10]]。
鉴于重金属污染的严重性，寻找能够减轻或解决这些问题的替代方案至关重要。水凝胶是一种适用于此目的的材料。这种三维结构的聚合物可通过物理或化学交联方式形成，其结构中还可含有离子基团[[11]]。由于水凝胶能够与污染物形成化学键（无论是物理键还是化学键），因此在污水处理等过程中具有去除金属的潜力。
聚丙烯酰胺（PAAm）是一种合成聚合物，可制备出性能优异的水凝胶[[12,13]]。虽然纯PAAm水凝胶呈中性，但在酸性或碱性环境中会因酰胺基团的质子化或去质子化而带电。不过，引入离子基团可进一步提升PAAm水凝胶的性能。经过水解处理的聚丙烯酰胺水凝胶由于聚合物链中分布的离子特性而克服了吸水限制。相关研究展示了其在皮肤护理、人工肌肉和废水处理等领域的广泛应用[[14,15]]。尽管PAAm材料具有高效性、多功能性和低成本等优点，但其合成过程通常需要在惰性气氛下使用有毒催化剂（如N,N,N,N'-四甲基乙二胺，TEMED）[[16,17]]。本研究评估了一种更环保的PAAm基材料制备方法。所得水凝胶经过水解处理后带有负电荷。通过统计分析确定了温度、碱浓度和水解时间对水凝胶性能的影响，最终选出了物理化学性质最优的水凝胶作为去除金属的候选材料。
材料
N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（ACROS Organics，纯度96%，分子量154.17 g mol^-1，CAS号110–26-9）、丙烯酰胺（Sigma，纯度99%，分子量71.08 g mol^-1，CAS号79–06-1）以及过硫酸铵（Sigma-Aldrich，纯度98%，分子量228.20，CAS号7727–0）、氢氧化钠（Sigma-Aldrich，纯度98%，分子量40.00 g mol^-1，CAS号1310-73-2）、五水合硫酸铜（Synth，纯度98%，分子量249.68 g mol^-1）。
水凝胶的制备
将2.0006克丙烯酰胺和1.5毫克N,N'-亚甲基双丙烯酰胺溶解在20毫升去离子水中（电导率约为1.3 mS/cm）来制备水凝胶。
傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析
如预期，样品显示了典型的PAAm特征FTIR谱带，尽管某些谱带中心位置略有差异（见图1）。-NH2键的伸缩振动产生了位于3192和3327 cm^-1处的谱带，弯曲振动则解释了1600 cm^-1和1120 cm^-1处的谱带[[19]]。2970至2880 cm^-1范围内的谱带对应于sp3杂化C-H键的伸缩振动[[19]]。酰胺羰基中的C-O和C-N键的伸缩振动也参与了谱带的形成。
结论
本研究探讨了碱浓度、水解时间和温度对基于PAAm的水凝胶性能的影响。结果表明，水解时间是对水凝胶性能影响最大的因素，其次是碱浓度。统计分析进一步证实，较高的碱浓度和较长的水解时间会显著增加水凝胶的膨胀程度（增幅为1.15倍）。然而，温度的变化也会影响水凝胶的性能。
作者贡献声明
安德里莎·雷纳塔·西蒙（Andressa Renatta Sim?o）：概念设计、数据整理、数据分析、方法研究、项目统筹、资源调配、软件使用、结果验证、数据可视化、初稿撰写及修订。
米歇利·克里斯蒂娜·加尔迪奥利·佩拉（Michelly Cristina Galdioli Pellá）：数据整理、数据分析、方法研究、资源调配、软件使用、结果验证、数据可视化、初稿撰写及修订。
数据整理、数据分析、软件使用、结果验证。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本研究结果的财务利益冲突或个人关系。
致谢
作者感谢巴西高等教育协调委员会（CAPES）、国家科学技术发展委员会（CNPq）以及国家功能复合材料科学技术研究所（INOMAT）提供的财务支持。同时感谢Financiadora de Estudos e Projetos（FINEP）和UEM研究支持中心（COMCAP）提供的显微镜和原子吸收光谱仪（AAS）等设备支持。
