综述：多功能可吸附壳聚糖基水凝胶：迈向高效且多功能的绿色污染治理方案

《Journal of Cleaner Production》：Multifunctional adsorbable chitosan-based hydrogels: Towards efficient and multifunctional green solutions for pollution management

壳聚糖水凝胶（CSHs）作为环保材料，因其三维网络结构、可调性能和优异吸附能力，在重金属、有机污染物及新兴污染物治理中展现潜力。本文系统综述其特性、吸附机制及多功能应用，探讨低成本制备、力学性能提升及回收技术，以推动可持续发展。

　　随着工业化进程的加快和人口的持续增长，全球面临着日益严重的环境污染问题。空气、水体和土壤污染已成为制约社会可持续发展的关键因素。每年，数以百万吨计的工业废料、农业化学品和生活污水未经妥善处理就被直接排放到环境中，导致生态系统受损、生物多样性下降，并对人类健康构成严重威胁。特别是在水污染领域，工业排放、农业活动和城市生活污水是主要的污染来源。这些污染物包括但不限于重金属（如铅、汞）、有机化合物（如农药、多环芳烃）、抗生素残留等。一旦这些物质进入水体，不仅会破坏水生生态系统的平衡，还可能通过食物链影响人类健康。面对如此严峻的环境问题，如何有效净化受污染的环境介质，尤其是水体，已成为亟待解决的重要课题。这不仅需要政府制定严格的环境保护法律法规，还需要科学界开发高效且经济可行的污染物处理技术，以应对这一挑战。

传统的污染物处理技术主要包括物理分离方法（如过滤、沉淀）、化学处理方法（如混凝、氧化）以及生物处理方法（如生物膜法）。然而，这些传统方法在某些情况下存在一定的局限性，例如处理成本高、效率有限或产生二次污染。近年来，随着纳米技术和材料科学的进步，新型污染物处理材料和方法受到了广泛关注。其中，具有高比表面积、良好生物相容性和可再生性的天然聚合物材料成为研究热点。这类材料不仅具备独特的物理化学性质，还因其环境友好性而备受青睐。

基于天然且环保的壳聚糖（CS），壳聚糖基水凝胶（CSHs）已被构建出来。由于其三维网络结构，CSHs能够提供大量用于吸附污染物的活性位点。它们不仅可以有效吸附水中的重金属离子和其他有毒物质，还能够通过调整其化学组成和交联度实现对特定污染物的选择性吸附。此外，通过功能化修饰，还可以进一步增强对特定污染物的吸附能力或赋予其其他特殊功能。鉴于上述优势，CSHs的研发对于推动环境科学与技术的发展，促进绿色和可持续发展具有重要意义。

本综述旨在全面总结壳聚糖及其水凝胶的最新研究进展，系统揭示其基本特性和吸附机制，并全面总结其在水污染治理领域的多种应用。通过深入探讨CSHs的制备和吸附机制，本综述为进一步研究提供了指导，促进了CSHs的广泛应用，从而实现绿色可持续和健康的发展。CSHs的研究框架如图1所示。值得注意的是，尽管之前已有关于CSHs的综述，但大多数研究主要集中在去除某种特定污染物（如重金属）或某种特定类型的CSHs。本文不仅深入分析了CSHs的结构-性能关系，还揭示了多种吸附机制之间的协同效应，并更详细地介绍了其多功能应用，特别是在新兴污染物治理方面的潜力。

壳聚糖基水凝胶（CSHs）作为一类环境友好型材料，因其良好的生物相容性和可降解性，被广泛应用于水污染治理领域。CSHs的三维网络结构使其具备优异的吸附性能，能够有效去除水中的多种污染物。同时，其可调节的物理化学性质和良好的水吸收能力也为其在环境治理中的应用提供了更多可能性。在实际应用中，CSHs可以用于吸附和去除重金属离子、有机污染物、染料废水、微塑料、抗生素残留以及内分泌干扰物等。此外，CSHs在油水分离方面也展现出良好的应用前景。

为了实现CSHs在水污染治理中的广泛应用，还需要进一步探索低成本、高效率的生产过程，增强水凝胶的机械强度，并开发回收和再使用技术。通过持续的技术创新和跨学科合作，CSHs有望在未来环境治理中发挥更大的作用，为创造更清洁、更和谐的生活环境做出积极贡献。同时，随着新兴污染物的不断出现，对CSHs的研究也需要不断深入，以应对新的环境挑战。在这一过程中，科学家们需要不断探索和优化CSHs的结构与性能，使其更加高效地应用于各种污染治理场景。

在吸附机制方面，CSHs通过多种方式与污染物发生相互作用，包括静电相互作用、络合反应、氢键作用、π-π相互作用、离子交换以及化学反应。这些机制相互配合，使CSHs能够有效去除不同种类的污染物。例如，在去除重金属离子时，CSHs的正电荷特性使其能够通过静电相互作用与重金属离子结合，从而实现高效吸附。而在去除有机污染物时，CSHs的氢键作用和π-π相互作用则发挥了重要作用。此外，CSHs还可以通过离子交换机制去除某些特定的污染物，例如硝酸盐或磷酸盐。在去除抗生素残留时，CSHs的化学反应能力使其能够与抗生素分子发生反应，从而实现有效的去除。这种多机制协同作用的特性，使得CSHs在污染物治理中展现出更广泛的适用性和更高的效率。

在实际应用中，CSHs被广泛用于水污染治理的不同方面。例如，在工业废水处理中，CSHs可以用于去除重金属离子、染料和其他有机污染物。在农业领域，CSHs可以用于吸附农药残留和处理含有微塑料的废水。在城市生活污水处理中，CSHs可以用于去除抗生素残留和内分泌干扰物，从而改善水质。此外，CSHs在油水分离方面也展现出良好的性能，能够有效去除水中的油类物质，提高水体的净化效率。这些应用表明，CSHs在不同环境治理场景中具有重要的价值和广泛的应用前景。

为了进一步提升CSHs在水污染治理中的性能，还需要对其结构和化学组成进行深入研究。例如，通过调整交联度和引入不同的功能基团，可以优化CSHs的吸附能力。同时，研究CSHs的机械强度和耐久性，使其能够在实际应用中保持良好的性能。此外，开发高效的回收和再利用技术，对于实现CSHs的可持续发展也至关重要。通过这些改进，CSHs有望在未来的环境治理中发挥更大的作用，为解决水污染问题提供更加环保和经济的解决方案。

综上所述，壳聚糖基水凝胶（CSHs）作为一种新型环境友好材料，具备良好的吸附性能和广泛的适用性。其独特的三维网络结构和可调节的物理化学性质，使其能够有效去除多种污染物。同时，CSHs的多机制协同作用，使其在污染物治理中表现出更高的效率和更好的选择性。随着对CSHs的研究不断深入，其在水污染治理中的应用也将更加广泛和深入。未来，通过技术创新和跨学科合作，CSHs有望成为解决水污染问题的重要工具，为实现绿色可持续发展做出积极贡献。