具有氧化还原活性的PEI/多巴胺功能化木材用于六价铬的吸附-还原及多种污染物水的净化

《ACS ES&T Engineering》：Redox-Active PEI/Polydopamine-Functionalized Wood for Coupled Hexavalent Chromium Adsorption–Reduction and Multicontaminant Water Purification

　　

摘要

具有集成界面功能的层次结构生物衍生材料为高级水净化提供了新机遇，但在宏观骨架中实现氧化还原活性与选择性吸附的结合仍然具有挑战性。在此，我们通过在脱木质素木材框架中整合聚多巴胺（PDA）和聚乙二烯亚胺（PEI），设计出一种多功能木质吸附剂，从而实现对表面化学性质和传输路径的协同控制。脱木质素过程形成了相互连接的孔隙结构，有助于物质传递，而均匀沉积的PDA以及接枝的PEI则引入了具有氧化还原活性的邻苯二酚基团和高密度胺功能基团，进而形成一种对pH值有响应的带正电界面（ζ电位为+28 mV）。我们仅对六价铬（Cr^VI）进行了详细的机制分析，同时以砷（As^V）、镍（Ni^II）和染料作为概念验证污染物进行了研究。根据观察到的吸附趋势，解释了这些污染物与PEI/PDA-W之间的相互作用。该材料对Cr^VI表现出吸附-还原耦合行为，在酸性条件下可实现约95%的去除率，光谱证据表明在PDA的氧化还原作用下，Cr^VI部分发生了原位还原为Cr^III。其吸附行为遵循朗缪尔型规律（q_m = 23.3 mg/g），且符合伪二级动力学特征，这说明吸附作用发生在能量均匀的表面积上。除了铬之外，该材料还对共存的污染物表现出基于作用机制的选择性：砷的去除受静电相互作用和pH值依赖的形态变化影响，而镍的吸附则主要依赖于与胺/邻苯二酚配体的配位作用。染料的吸附则显示出结构敏感性，π–π相互作用和疏水作用使得芳香族阳离子染料几乎能被完全去除，而那些相互作用较弱的染料则只能被有限程度地吸附。这项工作为在层次结构木材骨架中整合氧化还原功能与多价界面相互作用提供了一种设计策略，从而为选择性和多种模式的水净化提供了多功能平台。