基于火龙果皮果胶的低温凝胶高效吸附铅离子及其环境与生物安全性研究

本研究针对吸附剂生物安全性问题，开发了以火龙果皮果胶(DFP)和结冷胶(GG)构建的双网络交联低温凝胶(GG/DFP)，用于高效吸附Pb2+。该材料展现出93.56 mg/g的最大吸附量，通过多重机制实现吸附，为水体和胃肠道重金属去除提供绿色解决方案，同时促进农业废弃物高值化利用。

　　

随着工业化的快速发展，重金属污染已成为全球性的环境与健康问题。铅离子(Pb²⁺)作为常见的有毒重金属，可通过水和食物链进入人体，累积在神经系统和器官中，引发认知障碍、贫血和肾功能损伤等多种疾病。传统吸附技术虽能有效去除重金属，但许多吸附材料的生物安全性和环境兼容性存在争议，限制了其在饮用水处理甚至人体胃肠道解毒等敏感场景的应用。因此，开发兼具高效吸附能力和高度生物安全性的新型材料迫在眉睫。

与此同时，农业废弃物的资源化利用也成为可持续发展的重要方向。火龙果皮通常被作为废弃物丢弃，但其富含果胶等天然高分子，具有潜在开发价值。利用这些生物质资源构建功能性材料，不仅可降低处理成本，还能实现“变废为宝”，符合循环经济理念。在这一背景下，研究人员开展了一项创新性研究，通过整合火龙果皮果胶与微生物多糖结冷胶，设计了一种环境友好型吸附材料，相关工作发表于《Reactive and Functional Polymers》。

为开展本项研究，团队采用了以下关键技术方法：从火龙果皮中提取果胶(DFP)并与结冷胶(GG)共混，通过物理交联和冷冻干燥构建双网络低温凝胶(GG/DFP)；利用质构分析、流变学测试和溶胀实验评估凝胶机械性能；通过扫描电镜(SEM)和比表面积分析(BET)观察多孔结构；开展吸附实验考察Pb²⁺吸附性能与条件优化；运用吸附动力学和等温线模型（伪二级模型、Langmuir和Sips模型）分析吸附机制；采用X射线光电子能谱(XPS)解析吸附过程中的物理与化学作用途径。

研究结果部分主要包括以下内容：

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  材料制备与表征：通过GG与DFP的双交联网络成功构建 cryogel，纹理和流变学结果表明该结构显著增强了凝胶强度，溶胀实验显示其具有良好的亲水性。SEM和BET证实材料具有多孔和高比表面积结构，有利于吸附传质。

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  吸附性能评估：GG/DFP在不同环境条件下（pH、离子强度、时间）均表现出优异的Pb²⁺吸附能力，最大吸附量达93.56 mg/g。吸附动力学符合伪二级模型，表明以化学吸附为主；吸附平衡符合Langmuir和Sips模型，提示为单层吸附与表面异质性共存。

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  吸附机制探讨：XPS分析揭示了GG/DFP通过物理吸附、螯合作用、配位键合和离子交换等多种途径协同实现Pb²⁺的高效捕获，其中羧基、羟基等官能团发挥了关键作用。

研究结论与讨论部分强调，该低温凝胶材料不仅具备出色的铅离子吸附性能，还因其全部成分源自天然多糖，具有高度的生物安全性和环境相容性，可拓展至饮用水净化、工业废水处理乃至人体口服后胃肠道内重金属的清除等领域。此外，该工作为农业废弃物（如果皮）的高值化利用提供了新颖思路，实现了资源循环与污染治理的双重目标，对推动绿色材料开发和可持续环境技术发展具有重要意义。