稻壳纤维素/海藻酸钠/明胶水凝胶：用于碘蒸气可持续高效捕获与固定的材料

《Environmental Research》：Rice Husk Cellulose/Sodium Alginate/Gelatin Hydrogels: Sustainable High-Performance Trapping and Immobilization of Iodine Vapor

　　

摘要

在核燃料后处理过程中高效捕获放射性碘蒸气仍是核循环运行中的关键挑战。为解决这一挑战，研究人员以农业废弃物（稻壳）中提取的纤维素、海藻酸钠和明胶为前驱体，通过水相法合成了一种水凝胶吸附剂（命名为CSAG）。优化的CSAG-50配方（质量比为5:5）表现出优异的碘吸附性能，在85°C下实现了2485.5 mg/g的出色吸附容量。全面的表征结果表明，CSAG-50具有独特的皱褶微结构，显著提高了碘的保留效率。动力学分析表明，吸附过程涉及物理扩散和化学相互作用。其优异的吸附性能源于增强的毛细力和机械韧性。热重分析证实了该材料在中等温度条件下具有良好的热稳定性。循环性能测试显示，CSAG-50在三次连续吸附-脱附循环后仍保留42.5%的初始吸附容量，表明其具有出色的可重复使用性。这种完全生物基CSAG水凝胶系统的成功开发代表了核废物管理可持续材料的重要进展，同时为核工业应用中放射性碘的封存提供了一种环境兼容的解决方案。

引言

随着全球能源需求不断增长，核能因其极高的能量密度和极低的碳足迹而成为至关重要的能源来源[1]、[2]。然而，核反应堆的运行不可避免地会释放放射性气态废气，其中放射性碘同位素对生态系统和人类健康构成特别严重的威胁。放射性碘主要通过两条途径释放到环境中：核燃料后处理和核事故。在乏燃料后处理过程中，挥发性碘物种（主要是I₂和有机碘化物如CH₃I）在溶解和氧化步骤中被释放；同样，严重的核事故——如切尔诺贝利和福岛——也会将大量放射性碘直接释放到大气中。在放射性碘同位素中，¹²⁹I被认为是危害最大的核废料之一，因其半衰期长达1570万年且对生态系统具有持久的有害影响^[3]。此外，放射性碘（I₂）具有高度的迁移性和水溶性，促进了其在环境介质中的快速扩散，对人类健康构成重大风险，尤其是通过甲状腺积累及随后的辐射诱发的致癌作用[4]、[5]。

为减轻这些风险，迫切需要有效捕获和隔离气态和水态放射性碘。传统的碘捕获技术主要依赖含银吸附剂，通过化学吸附机制运行，但存在材料成本高和吸附过程不可逆的问题，限制了其实际应用[6]、[7]。此外，通过掺入碳与金属（如银或铜）来合成吸附材料或构建高比表面微孔结构，常常面临结构不稳定、批次重现性差和合成成本过高等限制[8]、[9]、[10]。

近年来，多种先进多孔材料已被探索作为替代性碘吸附剂。例如，金属有机框架（MOFs）因其可调孔隙率和多功能性而受到广泛关注。近期研究表明，基于MOF的复合气凝胶（如UiO-66-NH₂@WCA和MIL-167/SA-PEI）通过分级孔隙结构和功能修饰实现了高碘吸附性能，优于传统吸附剂[11]、[12]。此外，研究人员开发了一种新型气凝胶复合材料，利用羟丙基纤维素、富硫空位硫化铋和壳聚糖，在三种不同的吸附场景下展现了出色的碘捕获性能^[13]。共价有机框架（COFs）是另一类具有明确周期结构和本征永久孔隙率的结晶多孔材料[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。研究人员成功地将COFs封装在纤维素气凝胶基质中，实现了增强的碘捕获效率[19]、[20]。

除这些结晶框架外，水凝胶最近也作为碘吸附的有前景平台崭露头角。水凝胶是由亲水聚合物链通过物理、化学或聚合方式交联形成的三维网络结构。凭借其高比表面积、可调孔隙率和独特的渗透性，水凝胶可有效克服传统固-气吸附系统的局限性[21]、[22]。尽管传统吸附材料具有一定的吸附能力，但普遍存在成本高、可回收性差和环境适应性有限等问题。相比之下，凝胶材料——尤其是水凝胶——因其三维多孔结构和功能化表面化学，为气态碘吸附提供了创新的解决方案。

然而，大多数报道的水凝胶吸附剂仍依赖合成聚合物（如聚丙烯酰胺）^[23]或昂贵的改性天然聚合物（如壳聚糖衍生物）^[24]，这些材料制备工艺复杂且生物降解性差。例如，尽管载银水凝胶表现出优异的碘吸附性能，但重金属的引入可能导致二次污染^[25]。类似地，交联聚乙烯醇水凝胶具有良好的稳定性，但依赖石化来源的原材料，违背了绿色化学原则。这些局限促使研究人员探索低成本、可再生和生物基水凝胶材料。近期的进展凸显了生物基材料在碘捕获方面的潜力；例如，一项关于纤维素基吸附剂的研究展示了使用农业废弃物衍生的纤维素进行有效碘去除的优势^[26]，另一项工作系统地评估了各种生物聚合物基水凝胶的碘吸附性能，进一步支持了完全生物基系统的可行性^[27]。

基于上述考虑，本文阐述了我们材料设计的原理——即为什么将稻壳纤维素、海藻酸钠和明胶组合成完全生物基水凝胶能够为碘捕获提供可持续、经济高效且性能优异的替代方案。为应对上述挑战，我们开发了一种完全生物基水凝胶系统，结合了来自稻壳农业废弃物的纤维素、海藻酸钠（SA）和明胶（GL）。这一创新系统协同结合了各组分的独特优势：（1）废弃物衍生的纤维素资源化利用提供了可持续、低成本的三维框架，其丰富的羟基增强了碘捕获能力^[28]；（2）海藻酸钠基质形成稳定的交联网络，赋予水凝胶优异的保水性和机械性能[29]、[30]；（3）明胶的引入提供了额外的活性吸附位点（氨基和羧基），同时提高了材料的柔韧性和生物降解性^[31]。与传统水凝胶不同，该系统完全消除了有毒前驱体，仅依赖氢键和离子相互作用等绿色交联机制。这一设计理念符合当代对环境友好材料的要求，同时保持了高性能标准。

通过将稻壳纤维素与SA和GL进行简单交联，开发了一种纤维素基水凝胶。采用SEM、FT-IR、XRD和TGA对水凝胶进行表征，分析其结构和性能。通过改变生物聚合物的比例，优化了其碘吸附性能。多次吸附-脱附循环实验证实了其可重复使用性，并展示了其在可持续应用中的潜力。本工作为纤维素基水凝胶在各种吸附目的中的设计提供了有益的见解。

章节片段

材料

稻壳，购自山东宏源生物科技有限公司；苯，购自麦克林；无水乙醇，购自天津福宇精细化工有限公司；冰醋酸，购自天津大茂化学试剂厂；亚氯酸钠、盐酸、环氧氯丙烷（ECH）和碘粒，购自国药集团化学试剂有限公司；尿素和氢氧化钠，购自天津市科密欧化学试剂有限公司；

CSAG对碘的吸附

通过静态吸附实验系统评估了CSAG的碘吸附性能，并通过改变原料重量比确定最佳吸附效果。如图2a和表S1所示，在85°C下，随着纤维素含量降低，吸附容量先升高后降低，在50%纤维素含量时达到最大吸附值2428 mg/g。这一最佳性能归因于三维结构的形成

结论

总之，以农业废弃物衍生的纤维素、海藻酸钠和明胶为原料，成功开发了一种完全生物基水凝胶吸附剂（CSAG），用于高效捕获气态碘。优化的CSAG-50配方（质量比5:5，3 mL ECH，2.5 h）在85°C下表现出2485.5 mg/g的优异碘吸附容量，这归因于刚性纤维素骨架与柔性海藻酸钠/明胶基质之间的协同作用，形成了皱褶的

作者贡献声明

王冰：指导，资源提供。李娜：指导，数据管理。圣学茹：方法论，调查研究，数据管理。平清伟：撰写——审稿与编辑，指导。张建：撰写——审稿与编辑，指导，资金获取。张糯糯：撰写——初稿，形式分析

伦理审批

本研究不需要伦理审批。

出版同意

所有作者同意发表本稿件。

利益冲突

作者声明无利益冲突。

资助

作者衷心感谢本项目获得了辽宁省自然科学基金计划项目（2026-MS-159）的支持。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能存在潜在利益冲突的财务利益/人际关系：报告了与该机构相关的关系：. 拥有待批准专利。如有其他作者，他们声明没有已知的竞争性财务利益或人际关系可能影响本文所报告的工作。

张糯糯|张建|平清伟|圣学茹|李娜|王冰

辽宁木素化学与生物材料重点实验室，辽宁木质纤维素生物炼制协同创新中心，大连工业大学轻工与化学工程学院，辽宁大连 116034，中国