基于超声辅助新型三嗪- carbohydrazide聚合物高效吸附水体中三氯生的实验与理论研究

本研究针对个人护理产品中广泛使用的抗菌剂三氯生（TCS）在水体中残留引发的环境与健康风险，开发了一种新型三嗪基多孔聚合物（CCCH CTP）作为超声辅助吸附剂。研究通过系统实验与理论计算证实，该材料在酸性条件（pH 3）下对TCS的去除效率达81%，吸附容量为83.89 mg g?1，吸附过程符合准二级动力学和Freundlich等温模型，表明其以化学吸附为主。该工作为水体中新兴污染物的治理提供了高效、低成本的解决方案，对推动环境修复材料设计与应用具有重要意义。

　　

随着个人护理产品和抗菌剂的广泛使用，三氯生（Triclosan, TCS）作为一种典型的氯代芳香醚类抗菌剂，正日益成为水体中备受关注的新兴污染物。尽管它在化妆品、牙膏和洗手液等产品中发挥着重要的抗菌作用，但其过度使用导致其在自然水体中的浓度已达到微克每升级别（0.6–2.3 μg L^?1）。更令人担忧的是，TCS不仅可能诱发微生物的抗菌耐药性，还对水生生物和人类健康构成多重威胁。它具有内分泌干扰活性，可影响生殖和甲状腺功能，甚至具备生物累积性和潜在致癌性。此外，TCS在光照下降解可能产生毒性更强的中间产物，这进一步加剧了其环境风险。因此，开发高效、经济且环境友好的TCS去除技术已成为当前环境治理领域的迫切需求。

在众多水处理技术中，吸附法因其操作简便、成本低廉、无有害副产物等优点被广泛采用。多孔有机聚合物（Porous Organic Polymers, POPs）作为一类新兴吸附材料，凭借其高比表面积、可调控的孔结构以及丰富的表面官能团，在污染物捕获方面展现出巨大潜力。其中，三嗪基共价聚合物（Covalent Triazine Polymers, CTPs）因其结构中富含氮原子，可通过氢键、π–π堆积和静电作用增强与有机污染物的相互作用，近年来受到研究者青睐。此外，超声辅助吸附作为一种强化传质的手段，通过空化效应产生局部高温高压，显著提升吸附速率和效率，为吸附技术的实际应用提供了新思路。

在这一背景下，来自印度Manipal理工学院化学系的研究团队在《RSC Advances》上发表了一项创新性研究，他们设计并合成了一种新型三嗪- carbohydrazide交联的多孔聚合物（CCCH CTP），并系统探究了其在超声辅助下对TCS的吸附性能与机制。

研究主要采用了以下关键技术方法：通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、固态¹³C CP/MAS NMR、X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）对聚合物化学结构和晶型进行表征；利用氮气吸附-脱附等温线（BET法）和NLDFT理论计算比表面积、孔容和孔径分布；借助热重分析（TGA）评估材料热稳定性；采用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）观察形貌与元素分布；使用紫外-可见分光光度法测定TCS浓度；结合伪一级、伪二级动力学模型和Freundlich等温模型分析吸附过程；并利用密度泛函理论（DFT）在M06-2x/6-31+G(d,p)水平上进行几何优化、静电势（ESP）分析和非共价相互作用（NCI）研究，从分子层面验证吸附机制。

研究结果部分显示：

合成与表征方面，CCCH CTP是由三聚氯氰（cyanuric chloride）和 carbohydrazide 在碱性条件下通过亲核取代反应制备而成，产率达87%。该材料具有半结晶结构，球形形貌，BET比表面积为24 m2 g^?1，主要孔径集中在2.5 nm，热稳定性可达250°C。XPS和FTIR结果证实了triazine环、羰基和氨基官能团的存在，这些基团为后续吸附提供了重要位点。

吸附性能优化实验表明，溶液pH对吸附效率影响显著。在酸性条件（pH=3）下，TCS以分子形态存在，与带正电的聚合物表面产生强静电吸引，去除率最高（81%）；而当pH高于TCS的pK_a（7.9）时，TCS发生解离，与带负电的聚合物表面产生排斥，吸附能力急剧下降。吸附剂投加量为0.15 g L^?1时效果最佳，继续增加投加量反而因粒子聚集和位点重叠导致效率降低。吸附过程在25分钟内即可达到平衡，超声辅助相比传统振荡法显著缩短了吸附时间，这得益于空化效应促进的传质和位点暴露。

吸附机制与模型拟合结果显示，TCS在CCCH CTP上的吸附行为更符合伪二级动力学模型，说明其速率受化学吸附控制。等温吸附数据与Freundlich模型高度吻合，表明吸附为多分子层作用，发生在非均质表面。理论最大吸附容量达83.89 mg g^?1，优于许多已报道的吸附材料。热力学参数（ΔG°<0, ΔH°>0, ΔS°>0）说明吸附是自发、吸热且熵增的过程。

通过FTIR和XPS对比吸附前后的材料，发现TC分子的羟基与聚合物中的羰基或氨基之间形成氢键，其芳香环与聚合物的三嗪环之间存在π–π堆积作用，这些非共价相互作用是主要的吸附推动力。DF计算进一步证实，TCS与聚合物片段之间存在强烈的静电和范德华作用，结合能达-27.01 kcal mol^?1，稳定构型中TCS的羟基正电区域与聚合物的富电子羰基氧区域产生强效互补。

研究的结论部分强调，CCCH CTP作为一种新型超声辅助吸附剂，能够高效、快速去除水体中的TCS，其性能可通过多种相互作用协同实现。该材料不仅合成简单、稳定性好，且在处理低浓度有机污染物方面表现出良好的应用前景。本研究从实验和理论角度全面揭示了吸附机制，为设计高效吸附剂提供了新思路，对实际水处理工艺中的新兴污染物治理具有重要参考价值。未来可通过功能化改性（如引入磁性组分）进一步提升材料的分离与循环使用能力，推动其在实际环境修复中的应用。