一种利用盐辅助的简单脱水方法用于羧甲基纤维素基水凝胶

《Polymer Engineering & Science》：A Facile Salt-Assisted Dewatering for Carboxymethyl Cellulose-Based Hydrogels

　　**摘要**

基于天然聚合物的水凝胶作为一种环保的替代品，正受到越来越多的关注，它们可以替代以石油为基础的超强吸水性聚合物。水凝胶的制造过程包括清洗和干燥水合后的凝胶。然而，由于水凝胶具有高度亲水性，在清洗过程中会吸收大量水分，并且需要很长时间才能干燥，这导致了较高的能源成本。因此，我们提出了一种使用氯化钠（NaCl）溶液对丙烯酸/羧甲基纤维素（CMC）基水凝胶进行脱水的方法。用7%的NaCl水溶液清洗膨胀后的水凝胶可以去除97%的水分。简单的预脱水处理有效减少了后续乙醇清洗所需的用量。本研究提出了一种新的CMC基水凝胶脱水方法，并探讨了其在环保吸水材料中的潜在应用。

**亮点**
- NaCl清洗能够有效实现CMC水凝胶的预脱水，使用NaCl溶液可使脱水率达到97%以上。
- NaCl预脱水在溶剂交换过程中减少了乙醇的使用量。
- 这种水凝胶在环保卫生吸收材料方面具有潜力。

**1 引言**

吸水性聚合物（如水凝胶）是一种功能性材料，由于其高亲水性和膨胀特性，能够吸收大量的水或盐溶液[1-5]。它们被广泛应用于各种领域[6]，包括一次性卫生产品（如尿布[7, 8]、农业用土壤湿度调节剂[9, 10]、药物输送和人体组织用医疗材料[11-13]，以及重金属和废水处理材料[14, 15]。传统上，这些吸水材料是由基于石油的合成聚合物（如不可生物降解的丙烯酸、丙烯酰胺及其衍生物[16-19]）制成的。随着化石资源的逐渐枯竭和环境污染问题日益严重，基于天然聚合物的吸水材料逐渐受到重视[20, 21]。近年来，许多研究人员致力于开发来自天然聚合物的环保且可生物降解的水凝胶系统[22]。常见的天然多糖聚合物，如纤维素、淀粉和壳聚糖，常被用来制造可持续的吸水材料。然而，仅由天然材料制成的吸水材料往往存在网络稳定性差的缺点，导致吸水后容易降解或吸水性能不如基于石油的吸水材料[23]。为了解决这些问题，人们正在开发新的吸水材料，将聚丙烯酸与天然聚合物（如羧甲基纤维素[CMC]、海藻酸钠、壳聚糖等）或聚乙烯醇（PVA）结合使用[24, 25]。Tang等人[26]通过尿素辅助溶解和环氧氯丙烷交联的方法合成了一种具有优异膨胀性能的壳聚糖-CMC基 superabsorbent。Peng等人[27]通过化学交联PVA和α-壳聚糖纳米纤维，并用戊二醛进行物理交联，制备了用于药物释放的纳米复合水凝胶。Moud等人[28]采用水凝胶化方法成功制备了含有NaCl盐的PVA-纤维素纳米晶体水凝胶，且未使用有害化学物质。在之前的研究中，我们制备了CMC/丙烯酸[29, 30]和藻类/丙烯酸[31]复合吸水材料，其最大蒸馏水吸收能力约为179 g/g，最大盐溶液吸收能力约为37 g/g。这些材料的制造过程包括清洗和干燥水合后的凝胶。遗憾的是，由于水凝胶的高亲水性，在清洗过程中会吸收大量水分，使得干燥过程耗时且能耗高。因此，人们使用乙醇等有机溶剂进行清洗，以防止它们在清洗过程中吸收更多水分，并提高生产速度和效率。然而，使用乙醇不仅因消耗大量溶剂而成本较高，还存在火灾风险。因此，需要新的方法来预脱水水凝胶。在最近的一项研究中，Wu等人[32]证明，将基于胶原蛋白的水凝胶简单地浸入NaCl溶液中即可有效预脱水。作者认为这是由于CMC释放出的钠离子破坏了胶原蛋白网络的水合结构，通过Donnan平衡驱动的渗透压不平衡促进了水分的迁移。Dobrynin和Rubinstein[33]报告说，聚电解质（如NaCMC）在水溶液中会解离成带电的聚合物骨架和可移动的反离子，从而增加了介质中自由钠离子的浓度。这种反离子的释放可以改变离子强度和渗透压，为观察到的胶原蛋白水凝胶的盐诱导脱水现象提供了理论基础。迄今为止，尚未有研究报道专门针对纤维素基或CMC/丙烯酸水凝胶设计的盐诱导预脱水方法。因此，本研究提出了一种新的NaCl辅助脱水策略，专门用于CMC/丙烯酸混合水凝胶，以填补这一研究空白。通过调整NaCl水溶液的浓度（从0%到10%），比较了不同NaCl含量下水凝胶的脱水特性。在优化制造过程的同时，也提高了水凝胶的吸水性，同时不损害其其他重要性能。本研究为CMC/丙烯酸基水凝胶的脱水提供了一种新方法，并探讨了其在可持续吸水材料中的潜在应用。

**2 材料与方法**

**2.1 材料**

用于制备水凝胶的CMC粉末购自韩国全罗南道suncheon-si的Marine Material Co. Ltd.（表1）。丙烯酸（保证质量，购自韩国京畿道Siheung-si的DAEJUNG Chemicals & Metals Co. Ltd.）作为可与CMC发生聚合反应的水溶性单体。此外，还使用了过硫酸钾（99.0%，特殊等级，购自韩国忠清南道Cheonan-si的Samjung Chemicals Co. Ltd.）作为聚合引发剂，以及N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（NMB；97%，购自美国马萨诸塞州Ward Hill的Alfa Aesar）作为交联剂。用于水凝胶后处理的NaCl购自韩国京畿道Siheung-si的Daejung Chemicals & Metals公司。

**2.2 CMC/丙烯酸水凝胶的制备**

使用了一个带有搅拌器（PL-FS121，Poonglim Co.，韩国）和温度传感器（K162C，Misung S&I Co. Ltd., Daejeon，韩国）的500 mL三颈圆烧瓶作为水凝胶制备的反应器。首先，用加热套（MS-DM603，Misung S&I Co. Ltd., Daejeon，韩国）将反应器加热到设定温度。然后向反应器中加入100 mL 3 wt%的CMC水溶液。在400 rpm下搅拌约15分钟后，将温度升高到60°C，依次加入7 wt%的丙烯酸、0.4 wt%的过硫酸钾和0.2 wt%的NMB。将反应器温度调整到70°C，继续搅拌10分钟。最后，让反应在无搅拌条件下再进行80分钟。水凝胶随后通过不同的方式进行后处理，如图1所示。

**图1**展示了水凝胶的制备方法示意图。方法1包括两个清洗步骤（水和NaCl水溶液），而方法2增加了乙醇清洗步骤，共计三个步骤（水、NaCl水溶液和乙醇）。在方法1中，反应完成后加入200 mL的水，将获得的凝胶从反应器中分离出来。然后在600 rpm下搅拌约5分钟，再进行第一次清洗。对于第二次清洗，使用均质机（HG-15A，DAIHAN Scientific Co. Ltd., 江原道Wonju-si，韩国）进行1分钟均质处理，接着在200目筛网上进行脱水，使用的NaCl浓度见表2。方法2中增加了第三次清洗步骤：加入相当于200目脱水凝胶重量两倍的乙醇进行溶剂交换，持续约1小时，然后再在200目筛网上脱水。脱水后的水凝胶在50°C的空气干燥机（JSOP-100，JS Research Inc., 忠清南道Gongju-City，韩国）中干燥。

**表2**列出了所制备水凝胶的信息。

**2.3 测量**

为了比较不同NaCl浓度下水凝胶的脱水性能，在第二次清洗后测量了200目脱水样品的固体和水分含量，并计算了脱水率（公式1）。

（1）其中W1和W2分别表示第一次和第二次清洗后水凝胶的重量。通过估算NaCl清洗溶液的离子强度和渗透压，定量评估盐对水凝胶脱水行为的影响。假设NaCl完全以1:1电解质的形式解离，离子强度I用公式（2）计算[34]。

（2）其中I是离子强度（mol/L），ci是NaCl的摩尔浓度（mol/L），zi是NaCl的电荷数。外部溶液的渗透压用van't Hoff方程（公式3）估算[35, 36]。

（3）其中πext是外部渗透压（MPa），i是van't Hoff因子（对于NaCl假设为2），C是摩尔浓度（mol/L），R是气体常数（0.0821 L atm/mol K），T是绝对温度（298.15 K）。水凝胶的理论电荷密度是根据CMC和丙烯酸提供的羧基总摩尔量估算的。CMC来源的羧基数基于取代度（DS = 0.85）计算，假设每个取代基贡献一个羧基。丙烯酸来源的羧基数基于每个单体单元一个羧基计算。总理论固定电荷含量用公式（4）表示。

（4）其中nfixed是湿水凝胶的固定电荷含量，mCMC和mAA分别是CMC和丙烯酸的质量（g），Mrepeat是取代CMC重复单元的分子量（g/mol），MAA是丙烯酸的分子量，DS是CMC的取代度。计算出的值表示水凝胶中可充电羧基的最大理论数量。干基电荷密度用公式（5）计算。

（5）其中ρcharge是干燥水凝胶的电荷密度，mdry是干聚合物的总质量。为了定量评估盐对膨胀行为的影响，使用单价电解质的简化表达式估算了Donnan渗透压（公式6）[33]。

（6）其中ΔπD是Donnan渗透压差（MPa），X是水凝胶中的固定电荷浓度（mol/L），CS是外部盐浓度（mol/L）。固定电荷浓度基于完全膨胀水凝胶体积（0% NaCl条件）计算，假设所有可充电基团都保留在网络中。使用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR，Bruker Optics，Ettlingen，德国）确定水凝胶的功能基团变化。扫描范围为4000至400 cm?1，每个光谱平均64次重复扫描。扫描间隔为2 cm?1，分辨率为4 cm?1。使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM；Hitachi SU8220，Chiyoda，东京，日本）在5.0 kV加速电压下观察了 oven-dried水凝胶珠的表面和在蒸馏水中膨胀24小时后的水凝胶截面。膨胀后的水凝胶在测量前进行了冷冻干燥。使用ImageJ（National Institutes of Health，美国）从SEM图像分析了水凝胶的孔结构，测量了100个单个孔的孔径（μm，并计算了平均值。使用电感耦合等离子体 optical emission光谱（ICP-OES；OPTIMA 7300DV，Perkin Elmer，Waltham，马萨诸塞州，美国）确定了Na+的含量。分析时，向0.3 g的干燥水凝胶珠中加入6 mL HNO3，并在90°C下搅拌直到溶液澄清。溶液用0.2 μm的注射器过滤器（PTFE，Puradisc 13 mm Syringe Filters，Whatman，Maidstone，英格兰）过滤，然后用去离子水稀释100倍。为了评估其吸水能力（相对于吸收重量的水质量），将制备好的水凝胶样品（0.2克）放入纸袋（8厘米×10厘米）中，并在25°C下浸入水溶液（盐水或蒸馏水）中24小时。随着时间的推移测量吸收的蒸馏水和盐水的量，并使用方程（7）进行计算。

(7) 其中Ws和Wd分别是膨胀和水凝胶干燥后的质量。为了进行流变特性分析，将干燥后的水凝胶粉末（0.6–1毫米）重新浸泡在去离子水中直到达到平衡。使用带有平行板几何结构的旋转流变仪（Anton-Paar MCR 102e，奥地利格拉茨）进行测量。应变幅度扫描范围从0%到1000%，每个频率为1弧度/秒，并对每个样品重复三次。所有测量至少重复三次，并报告平均数值。

3 结果与讨论

3.1 基于NaCl含量的水凝胶性质

3.1.1 水凝胶的脱水特性

图2显示了水凝胶的水分和固体含量与二次洗涤过程中使用的NaCl浓度的关系。图2展示了水凝胶的脱水特性（左：水凝胶的含水量；右：水凝胶的固体含量）。用丙烯酸聚合的CMC水凝胶在初次水洗过程中由于其高吸水能力吸收了大量水分。因此，洗涤后，0% NaCl水凝胶的含水量为667克/克，固体含量仅为0.5%。然而，用NaCl水溶液洗涤的水凝胶比用纯水洗涤的水凝胶具有更低的含水量和更高的固体含量。随着NaCl浓度从1%增加到10%，水凝胶的含水量从12克/克降低到77克/克，而固体含量从4.3%增加到35%。计算并比较了不同NaCl浓度下水凝胶的脱水速率（表3）。用1%和2% NaCl溶液洗涤的水凝胶的脱水速率分别为88.5%和93.5%，表明只需要少量的NaCl就可以有效脱水。Tang等人[26]和Liu等人[37]报告称，如Na+、K+、Mg2+和Ca2+这样的阳离子具有“电荷屏蔽效应”，可以减少阴离子之间的静电排斥，从而降低聚合物网络与外部溶液之间的渗透压。因此，NaCl洗涤增加了溶液中的可移动反离子数量，从而降低了水凝胶内的渗透压并引发了脱水。此外，随着NaCl溶液浓度的增加，Na+离子的数量增加，导致水凝胶进一步释放水分。图3显示了脱水后的水凝胶外观。用纯水洗涤的0% NaCl水凝胶形成了稀释的透明液相，因为它含有大量的水。相反，较高的NaCl浓度导致凝胶脱水，透明度降低。特别是含有7%和10% NaCl的水凝胶，其固体含量超过了97%。表3显示了洗涤用水的NaCl浓度对脱水速率的影响。

3.2 水凝胶的盘绕特性

图3a–f展示了用不同浓度NaCl水溶液洗涤后的水凝胶表面情况。0% NaCl水凝胶表面相对光滑。相比之下，用NaCl水溶液洗涤的水凝胶表面出现了微米级的片状物，且随着NaCl浓度的增加，这些片状物的数量明显增加。这些片状物据认为是洗涤过程中残留在水凝胶中的盐分。图4展示了用不同NaCl浓度洗涤后的水凝胶的SEM图像（×1000倍放大，5.0千伏）。

3.3 水凝胶的化学性质

图5展示了CMC、NaCl以及用NaCl洗涤后的水凝胶的红外光谱。纯CMC在1585和1310厘米^-1处显示特征性峰值，分别与C=O和C–O伸缩振动相关。光谱还在3000–3400厘米^-1处显示出宽泛的吸收带，以及在2880厘米^-1处的C–H伸缩峰。CMC还显示出大约1590和1415厘米^-1处的强–COO?（对称）和–COO?（不对称）伸缩振动。相比之下，水凝胶中的峰值向较低波数移动。CMC光谱中的1020厘米^-1处的峰对应于C–O(H)伸缩振动，而在纯CMC中看到的宽吸收峰在水凝胶光谱中的强度减弱。聚合后的峰值减弱表明CMC的C–OH参与了聚合反应。此外，0%–10% NaCl水凝胶光谱中的新峰表明丙烯酸的羧基发生了羰基伸缩，表明丙烯酸成功接枝到了CMC主链上。ICP测试用于测定水凝胶中的钠含量。表5比较了具有合理脱水速率的7%和10% NaCl水凝胶与0% NaCl水凝胶的钠离子含量。0% NaCl水凝胶的钠含量为1177 ppm，而7%和10% NaCl水凝胶的钠含量分别为5174 ppm和5739 ppm，分别增加了3.4倍和3.9倍。因此，SEM中观察到的片状物可能是残留在水凝胶中的盐分。

3.4 水凝胶的吸收性质

图6显示了在水凝胶洗涤过程中使用的NaCl浓度对水凝胶吸收蒸馏水和盐水比的影响。总体而言，经过NaCl处理的水凝胶比未经处理的样品表现出更低的吸收率，而1%和2% NaCl水凝胶的吸收行为相似，吸收率低于未经处理的水凝胶。当NaCl浓度超过这个范围时，吸收率逐渐增加，在7% NaCl时达到最大值，然后在10% NaCl时略有下降。这种趋势在蒸馏水和盐水的吸收中都观察到，在中等NaCl浓度（4%–7%）时蒸馏水的吸收增加更为明显。对于所有样品，吸收率随浸泡时间的延长而增加。如上所述，所有经过NaCl处理的样品中都检测到了残留的Na+，且在较高Na+浓度下观察到的Na+量更多（见图4和表5），这也可能导致吸收行为的变化。0% NaCl水凝胶在水洗过程中吸收了大量水分，即每1克水凝胶（烘干重量）吸收667克水；因此，它可能在高度膨胀状态下干燥，导致孔结构松散且交联密度相对较低。这些内部孔结构可能在重新浸入时允许更多的水分吸收。相比之下，经过NaCl处理的水凝胶表现出较低的膨胀，这归因于离子对带电基团的屏蔽效应，导致静电排斥减少和网络结构更加紧密。在低NaCl浓度（1%–2%）下，这种效应似乎引起了部分网络收缩，导致吸收减少。在较高浓度下，网络收缩与结构重组之间的平衡可能会影响水分吸收，而在10% NaCl下过高的离子强度可能会进一步限制膨胀。

图6展示了水凝胶对盐水和蒸馏水的吸收性能。Wu等人[32]报告称，在水凝胶制备过程中使用NaCl可以减少CMC纤维的聚集，从而增加水凝胶网络的孔隙率。他们还报告说，将水凝胶浸泡在水中可以溶解盐分，允许水分在分离的纤维之间流动，从而提高水凝胶的膨胀性。用7% NaCl水溶液洗涤的水凝胶似乎含有适量的盐分，可以减少CMC纤维之间的聚集。相反，用10% NaCl水溶液洗涤的水凝胶可能含有过量的盐分，导致浸泡在水中时盐分溶解从而造成显著的重量损失。图7展示了水凝胶吸收蒸馏水和盐水后的外观。样品对盐水的吸收低于对蒸馏水的吸收。聚合物内的电荷密度和外部溶液中的电解质离子浓度影响着聚合物的吸收性能。当吸水聚合物吸收水分时，阴离子之间的排斥力会导致聚合物膨胀。然而，随着外部溶液中的离子浓度增加，聚合物内外部的离子浓度差异减小，导致膨胀减少。因此，吸水聚合物通常会比吸收含有离子的盐水（如蒸馏水）吸收更多的纯水。

图8展示了水凝胶在蒸馏水中重新膨胀24小时后进行冷冻干燥后的内部横截面形态。在没有NaCl处理的凝胶（图8a）中观察到了不规则大小和不同大小的孔隙，显示出高度多孔、开放的结构，孔径较大（25.14 ± 21.93微米）。相比之下，用7% NaCl处理的凝胶（图8b）显示出更密集的结构，孔径较小（6.92 ± 8.41微米）。孔径的减小表明NaCl增加的离子强度抑制了电解质网络内的静电排斥，导致凝胶基质收缩。因此，孔结构变得更加紧密，这与观察到的水分吸收减少和脱水行为增强一致。

图9展示了使用流变仪对水凝胶进行流变分析的结果。应变扫描是通过在固定频率下振动样品以逐渐变形来评估水凝胶流变特性的主要方法。线性粘弹性区域（LVR）是指样品可以在不破裂的情况下发生的变形范围。对于基于CMC的水凝胶，在1%剪切应变范围内观察到了LVR区域。0% NaCl和7% NaCl的G′（储能模量）值均大于G″（损耗模量）值（见图9a）。这意味着样品是粘弹性固体，较高的G′值表明其结构强度更大。在1%的剪切应变范围内，7% NaCl的储能模量大约是0% NaCl的三倍。图9在图形查看器中打开。

NaCl脱水对水凝胶流变性能和强度性能的影响：(a) 储能模量[G′]和损耗模量[G″]，(b) 损耗因子(G″/G′)，(c) 应力-应变曲线。损耗模量（切线δ）是水凝胶变形时结构破裂的点，由储能模量与损耗模量的交点确定（G″/G′=1）[44]。切线δ值小于1表明水凝胶表现出更类似固体的（弹性主导）行为，而值大于1则表明更类似液体的（粘性主导）行为[45, 46]。因此，储能模量（G′）与损耗模量（G″）相当的应变区域可以被视为网络变形的开始，伴随着从更类似固体到更类似液体的行为转变。对于0% NaCl，这种变化发生在70%的剪切应变范围内；而对于7% NaCl，结构在21%的应变时破裂（见图9b）。由于弹性降低，较高硬度的水凝胶可能在较低的应变下就容易导致凝胶结构破裂[47]。因此，硬度较高的7% NaCl水凝胶在较低的应变下就会发生凝胶破裂。图9c显示了从振幅应变扫描测试获得的应力-应变曲线。0% NaCl在48%的剪切应变下表现出613 Pa的应力值，而7% NaCl水凝胶在14%的应变下表现出931 Pa的应力值，比0% NaCl高出了52%。与损耗因子类似，用NaCl脱水处理的水凝胶在较低的应变下表现出最大的应力。水凝胶的机械强度在很大程度上受到交联密度和聚合物链之间物理缠结程度等因素的影响。分子间氢键以及共价或离子交联对凝胶网络的整体机械完整性有显著贡献。Chen等人[48]报告称，将NaCl引入基于CMC的水凝胶中增加了水凝胶网络的链间缠结，从而提高了交联密度。这导致水凝胶具有低水分含量、高拉伸强度和良好的弹性等特性。因此，可以推测NaCl脱水过程在水凝胶内部诱导了额外的交联，从而产生了硬度较高的水凝胶。

3.2 添加乙醇清洗后的水凝胶性能

3.2.1 水凝胶的吸收性能
使用方法1有效地改善了水凝胶的脱水性能。然而，这种方法导致水凝胶的盐分吸收性能较低。因此，采用了方法2来制备水凝胶，该方法包括乙醇清洗，以在提高脱水效率的同时改善吸水性。第三次乙醇清洗使用的乙醇体积是第二次清洗后水凝胶重量的两倍（见图S2）。表6比较了方法2中每个样品在第三次清洗中使用的乙醇量。随着NaCl浓度的增加，乙醇消耗量显著减少，表明NaCl辅助的预脱水有效地减少了所需的乙醇量。图10比较了使用方法1和2制备的水凝胶随时间变化的盐水和蒸馏水吸收率。额外的乙醇清洗提高了所有样品的吸水性。乙醇清洗后，0% NaCl水凝胶的盐分吸收量从14.4 g/g增加到了23.0 g/g。这一结果与其他研究一致，这些研究表明干燥前的溶剂交换显著影响吸水性聚合物的吸水性[49]。

3.2.2 工艺效率
为了进一步评估NaCl辅助脱水策略的工艺影响，根据实验室规模的实验条件估算了一个简化的工艺流程和物料平衡（见图11）。在传统的无NaCl辅助脱水工艺中，由于水凝胶在清洗后含有大量水分，因此需要大量的乙醇（每公斤水凝胶133.4公斤）进行溶剂交换。相比之下，NaCl辅助脱水在溶剂交换前显著降低了水分含量，使得乙醇需求量减少到大约每公斤水凝胶2.4公斤。表7总结了生产1公斤水凝胶的预估化学成本分布。在传统工艺中，乙醇约占总化学成本的98%，表明溶剂消耗占据了总体生产成本的主要部分。通过应用NaCl辅助脱水步骤，乙醇需求大幅减少，从而显著降低了与溶剂相关的成本。基于这些结果，所开发的水凝胶是适用于需要盐分吸收的卫生应用的有前景的候选材料。除了其吸水性外，水凝胶相对较高的机械强度也有助于提高结构稳定性和使用过程中的抗变形能力。此外，加工过程中溶剂使用的减少在环境和成本效率方面具有优势。应当注意的是，物料平衡和成本估算是在实验室条件下计算的，没有优化水消耗或溶剂回收系统。在实际的工业过程中，乙醇回收和工艺用水优化将进一步减少溶剂需求和废水产生。尽管如此，结果清楚地表明，NaCl辅助脱水可以显著提高水凝胶生产的工艺效率和经济效益。

图10比较了使用方法1和2制备的水凝胶随时间变化的（a-c）盐水和（d-f）蒸馏水吸收性能。在聚合反应后，通过用有机溶剂（如乙醇）替换凝胶中的水分，可以减少干燥过程中纤维素羟基之间的氢键和聚集。因此，在干燥前进行溶剂交换可以改善吸水性聚合物的吸收性能。浸泡0.5小时、3小时和24小时后，7% NaCl水凝胶的盐水吸收能力分别为13.3 g/g、15.0 g/g和15.4 g/g，这比传统吸水凝胶的吸水性表现优越30%以上。这些结果表明，在NaCl脱水清洗后进行额外的乙醇清洗可以提高蒸馏水和盐水的吸收性能，同时显著减少所需的乙醇量。因此，这种吸收性能和工艺效率的提高表明所开发的水凝胶在环保卫生应用中具有实际潜力。

3.2.2 工艺效率
为了进一步评估NaCl辅助脱水的工艺影响，基于实验室规模的实验条件估算了一个简化的工艺流程和物料平衡（见图11）。在传统的无NaCl辅助脱水工艺中，由于水凝胶在清洗后含有大量水分，因此需要大量的乙醇（每公斤水凝胶133.4公斤）进行溶剂交换。相比之下，NaCl辅助脱水在溶剂交换前显著降低了水分含量，从而将乙醇需求量减少到大约每公斤水凝胶2.4公斤。表7总结了生产1公斤水凝胶的预估化学成本分布。在传统工艺中，乙醇占化学成本的大约98%，表明溶剂消耗主导了总体生产成本。通过应用NaCl辅助脱水步骤，乙醇需求大幅减少，从而显著降低了与溶剂相关的成本。NaCl的使用显著减少了对于有机溶剂的依赖。基于这些结果，所开发的水凝胶是适用于需要盐分吸收的卫生应用的有前景的候选材料。除了其吸水性外，水凝胶相对较高的机械强度也有助于提高结构稳定性和使用过程中的抗变形能力。此外，加工过程中溶剂使用的减少在环境和成本效率方面具有优势。应当注意的是，物料平衡和成本估算是在实验室条件下计算的，没有优化水消耗或溶剂回收系统。在实际的工业过程中，乙醇回收和工艺用水的优化将进一步减少溶剂需求和废水产生。尽管如此，结果清楚地表明，NaCl辅助脱水可以显著提高水凝胶生产的工艺效率和经济可行性。

表8展示了代表性水凝胶系统在清洗方法、干燥条件、吸收性能和机械性能方面的比较分析。传统的水凝胶制备方法通常依赖于溶剂交换过程，特别是乙醇清洗，随后进行长时间的热干燥以实现多孔结构和高吸水性。虽然这些方法通常能产生中等至高的膨胀性能（根据系统不同，范围从5克/克到超过100克/克），但它们通常需要大量的溶剂使用和能源密集型的加工。相比之下，本研究中开发的NaCl辅助脱水方法显著减少了有机溶剂交换的需求，并通过离子强度抑制了Donnan膨胀压力，从而实现了快速的水分去除。尽管当前水凝胶的盐分吸收能力（15克/克）低于某些传统系统，但它仍处于实际可行的范围内。值得注意的是，该水凝胶表现出显著更高的储能模量（19,000帕），表明其结构完整性优于大多数报道的系统。与优先考虑最大膨胀的传统超强吸水凝胶不同，当前系统提供了具有增强机械韧性的平衡性能和简化的、无溶剂的加工路线。这种方法为水凝胶制造提供了一种更可持续和能源高效的替代方案，同时在盐分条件下保持了足够的吸水性。然而，仍需要进一步的研究来提高水凝胶的盐分吸收能力，特别是通过结构优化和聚合物网络的组成修改。

4 结论
通过聚合CMC和丙烯酸制备了一种基于生物质的吸水材料，以替代卫生产品中使用的石油基水凝胶。还使用了两种方法来有效地脱水这种吸水材料。方法1包括两个清洗步骤（水和NaCl水溶液），而方法2增加了乙醇清洗，总共三个清洗步骤（水、NaCl水溶液和乙醇）。使用方法1用1%–10%的NaCl水溶液清洗水凝胶，可以实现89%–98%的脱水率，并且随着NaCl浓度的增加，脱水率 also 提高。此外，用7% NaCl清洗的样品显示出最高的盐水和蒸馏水吸收能力，分别为12.3克/克和26.7克/克。为了提高水凝胶的吸水性，在方法2中引入了最后的乙醇清洗（水凝胶:乙醇 = 1:2（重量比）。使用NaCl预脱水可以将所需的乙醇量减少多达1/50。用7% NaCl_E清洗的水凝胶样本在乙醇清洗后的蒸馏水和盐水中表现出增强的吸收性能，分别为28.6克/克和15.4克/克。基于CMC的水凝胶通过简单的NaCl预脱水过程制备，有效地减少了干燥时间和能源成本，有望成为石油基水凝胶的有吸引力的替代品。

作者贡献
Sa Rang Choi：撰写——原始草案、可视化、方法论、研究、正式分析、数据管理、验证、概念化。
Jung Myoung Lee：撰写——审阅和编辑、概念化、验证、监督、资源获取、资金获取。

本研究得到了韩国能源技术评估与规划院（KETEP）（RS-2023-00236480）的支持。

作者声明没有利益冲突。

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