非溶剂诱导相分离法制备吸附性微颗粒用于高效去除水中金属离子

为解决水体中重金属污染和资源回收难题，研究人员开发了一种基于非溶剂诱导相分离（NIPS）技术的一步法多孔聚合物微颗粒制备策略。通过调控聚砜（Psf）和聚苯乙烯-b-聚丙烯酸（PS-b-PAA）复合材料的相分离过程，成功制备出粒径可控（650-1000 μm）、高比表面积的微颗粒，其铜离子吸附容量达0.33 mmol Cu2+ (g PS-PAA)-1，经聚乙烯亚胺（PEI）修饰后性能进一步提升。该技术为连续流吸附系统提供了理想材料，兼具环境修复与资源回收潜力。

　　

随着工业发展和人口增长，水体中重金属污染已成为全球性环境挑战。美国儿科协会数据显示，2018-2021年间超1.86亿美国人饮用水中铅含量超标，而传统处理方法如沉淀、膜过滤等存在能耗高、操作复杂等缺陷。与此同时，电子、能源等领域急需的稀有金属却常随废水流失。吸附法虽具有选择性高、能耗低的优势，但传统吸附剂的批次操作模式制约其大规模应用。如何开发兼具高效吸附性能和连续流兼容性的材料，成为环境工程领域的核心课题。

在这项发表于《Polymer》的研究中，Natalie Crowner团队创新性地将非溶剂诱导相分离（NIPS）技术与两步乳化策略结合，通过简单移液操作在分层非溶剂浴中同步实现液滴形成与相分离。研究采用聚砜（Psf）为基质材料，嵌段共聚物PS-b-PAA作为功能添加剂，系统考察了静态（自然滴落）与动态（移液管振荡）两种液滴形成方式对微颗粒形貌的影响，并通过扫描电镜（SEM）和铜离子吸附实验验证材料性能。关键技术创新在于：1）利用三元非溶剂体系（己烷/乙醇/水）的分层特性实现可控相分离；2）通过移液管尖端形变和振荡频率调控粒径分布；3）采用羧基-胺偶联反应实现PEI后修饰。

【3.1 微颗粒形成工艺开发】

研究人员发现传统单相非溶剂体系无法兼顾液滴形成与固化，而二元体系易导致界面铺展。最终优化的三元体系包含上层液滴形成层（4-16 mol%乙醇/己烷）和下层固化层（水/乙醇），成功制备出球形度良好的微颗粒。视频分析显示，液滴在穿过相界面时表面快速固化，形成10-20 μm多孔外壳包裹的核壳结构。

【3.2 非溶剂浓度影响】

静态法中乙醇浓度从4%增至16%时，颗粒直径保持1000 μm但长径比从1.3升至1.8，归因于溶剂交换速率加快导致的"拖尾效应"。动态法则通过机械振荡将粒径缩小至650 μm，长径比稳定在1.3-1.4，证明外力干预可有效克服界面张力限制。

【3.3 聚合物浓度影响】

Psf浓度从4%提升至8%时，静态法颗粒长径比显著增加至2.6，动态法仅增至1.6。流变学测试表明高浓度溶液黏度上升延长了毛细管捏断时间，而动态法通过强制分离减弱了这种影响。

【3.4 纳米结构表征】

SEM揭示颗粒具有各向异性孔结构：表面为2-5 μm小孔，内部过渡为15-50 μm大孔。高倍镜显示基体保留双连续孔道，为PS-b-PAA的表面偏析提供证据——疏水PS段锚定在Psf基质中，亲水PAA段排列于孔壁。

【3.5 金属离子捕获性能】

原始微颗粒对Cu²⁺的吸附容量为0.33 mmol/g PS-PAA，与平板膜相当。PEI修饰后容量提升至1.90 mmol/g，且经三次循环未出现性能衰减。值得注意的是，8% Psf样品在修饰过程中保持结构完整，而4%样品出现降解，表明机械强度与聚合物浓度正相关。

这项研究的意义在于：1）开发了一种无需复杂设备的微颗粒制备新方法，通过工艺参数精确调控粒径和形貌；2）证实NIPS技术可兼容功能化嵌段共聚物，为定制化吸附材料设计提供范式；3）PEI修饰策略显著提升性能，拓展了材料在稀土元素回收等领域的应用潜力。未来通过优化非溶剂组成和微流体技术，有望进一步缩小粒径至200 μm以下，满足连续逆流切向色谱（CCTC）系统的操作需求。该成果为水处理与资源回收提供了兼具经济效益和技术可行性的解决方案。