三聚氰胺泡沫气凝胶作为染料吸附剂：TEMPO氧化纤维素纳米纤维/聚乙烯亚胺复合水凝胶对甲基蓝和Cu(II)离子的高效去除机制

本研究创新性地通过自组装机制开发了无需化学交联剂的TEMPO氧化纤维素纳米纤维(TCNF)/聚乙烯亚胺(PEI)复合水凝胶，实现了pH依赖性双功能去除：在pH 4.7时通过静电吸附去除88.3%甲基蓝染料，pH 2.7时通过沉淀去除91.5%；对Cu(II)离子在pH 8时吸附率达72.6%。FTIR/XPS揭示其机制涉及静电作用、氢键和配位作用，为可持续废水处理提供了新型3D吸附-絮凝一体化材料。

　　

Highlight

本研究通过阳离子螯合和物理吸附的自组装机制，开发了稳定的TEMPO氧化纤维素纳米纤维(TCNF)/聚乙烯亚胺(PEI)复合水凝胶，避免了传统化学交联剂造成的二次污染。该材料展现出对甲基蓝染料和Cu(II)离子的高效去除能力，其作用机制具有独特的pH依赖性。

材料与方法

从大豆壳中机械分离的纤维素纳米纤维(CNF)经TEMPO氧化处理获得TCNF，与分子量25,000的支链PEI通过物理相互作用形成三维水凝胶结构。

甲基蓝染料的pH依赖性吸附与沉淀现象

TCNF/PEI水凝胶对甲基蓝的去除呈现双重机制：在pH 3.7-5.7范围内主要通过吸附作用（最佳pH 4.7时效率达88.3%），而在pH 2.7时则触发快速沉淀（6小时内去除率91.5%）。FTIR和XRD证实沉淀过程未改变染料分子结构，表明该技术可实现染料的回收再利用。

Cu(II)离子的吸附行为

Cu(II)仅在pH 4-8范围内通过吸附作用去除，pH 8时效率最高达72.6%。XPS分析表明其作用机制主要涉及PEI中胺基的配位作用和TCNF羧基的静电吸引。

结论

TCNF/PEI水凝胶通过创新的非共价交联策略，同时实现了染料的高效吸附/沉淀和重金属离子的选择性去除。这种pH响应型材料为工业废水处理提供了环境友好且可规模化的解决方案，特别适用于含阴离子染料和重金属的复杂废水体系。