一锅法制备可再生木质素磺酸钠气凝胶用于高效快速吸附Ni2?

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：One-Pot Fabrication of a Renewable Sodium Lignosulfonate Aerogel for Highly Efficient and Rapid Ni2+ Adsorption

　　基于木质素磺酸盐的可再生气凝胶通过一锅法交联制备而成。构建了具有多个活性吸附位点的稳定多孔网络。协同配位赋予气凝胶高效快速的Ni2?吸附能力。**引言**重金属在国家经济发展中发挥着关键作用，然而，随着工业化的不断推进，其污染已成为一个持续存在的环境问题[1]。重金属离子通常具有高毒性、难以生物降解以及在生物体内富集倾向强等特点，对生态系统和人类健康构成长期威胁[2]。其中，Ni2?是一种代表性的过渡金属污染物，可对生物体产生毒性作用，包括细胞和遗传损伤，容易引发皮肤过敏、呼吸系统疾病，并可能具有致癌作用[3]。因此，开发高效、经济且环境友好的Ni2?去除技术具有重要意义。目前，已采用多种方法从水环境中去除Ni2?，包括化学沉淀法[4]、生物修复法[5]、膜分离法[6]和电化学处理法[7]。尽管这些方法在Ni2?去除方面是有效的，但通常受限于高运行成本、复杂工艺、二次污染以及处理低浓度污染物效率低等问题[8]。相比之下，吸附法因其操作简便、成本低、材料设计灵活性高且适用于处理重金属离子，已成为Ni2?去除的有效策略。吸附剂的孔结构、表面官能团和界面结构设计是决定其吸附容量、吸附选择性和循环稳定性的关键因素[9]，[10]。因此，开发高性能吸附剂已成为一个重要的研究方向。近年来，基于生物质的吸附剂因其来源丰富、可再生性好和环保特性，在重金属修复领域引起了广泛关注[11]。这些材料通常具有可修饰的化学结构和多孔结构，可以通过接枝或复合的方式引入官能团，增加有效吸附位点的数量，提高结构稳定性，从而增强吸附性能[12]。此外，将吸附剂构建为具有三维多孔结构的气凝胶或纤维材料，可以提供丰富的吸附位点并保持结构稳定性，从而便于复合材料的分离效率和回收便利性[13]，[14]。木质素磺酸盐（LS）作为制浆造纸工业的重要副产品，含有丰富的磺酸基（―SO??）、羟基（―OH）和芳香结构[15]，[16]，为金属离子提供了络合、离子交换和表面吸附的活性位点。因此，LS被认为是开发面向重金属离子的高性能吸附剂的良好前驱体。Wang等人[17]利用玉米秸秆制备了改性木质素磺酸盐，并证明其对各种金属离子具有有效的去除能力，表明木质素磺酸盐基材料在重金属吸附方面的广泛适用性。Wang等人[18]通过聚合制备了基于木质素磺酸钠（SLS）的超强吸水凝胶用于Ni2?吸附，证明SLS基聚合物网络对Ni2?具有可观的吸附潜力。总体而言，现有研究已证实SLS具有Ni2?吸附的坚实基础，但当前更值得关注的问题是通过合理的结构设计和功能修饰，开发具有丰富活性位点的生物质吸附剂。根据Ni2?的配位化学特性，在吸附剂基质中引入额外的配位位点是提高其吸附性能的关键策略。Othman等人[19]将含氮的壳聚糖引入LS，进一步制备了Ti?C?T? MXene/壳聚糖/木质素磺酸盐吸附剂，该材料对包括Ni2?在内的各种金属离子表现出高吸附容量和稳定的再生能力。Han等人[20]用L-半胱氨酸（L-Cys）修饰NH?-MIL-53(Al)，所得材料对Ni2?的吸附容量约为原始材料的5倍，表明来源于L-Cys的官能团（如―NH?、―SH和―COOH）可作为Ni2?吸附的有效活性位点。此外，碳酰肼（CDH）分子结构中具有丰富的含氮配位位点和羰基基团。Zhang等人[21]报道了酰肼基功能化吸附剂与重金属离子之间通过酰肼基中氮原子上的孤对电子形成稳定的配位络合物，从而展现出优异的重金属捕获能力。上述研究成果为利用CDH和L-Cys协同富集SLS表面配位位点、构建高效重金属吸附位点提供了理论和实验支持。基于上述考虑，本研究采用一锅法策略，将CDH和L-Cys引入SLS基框架中，构建了一种新型的SLS/CDH/L-Cys复合气凝胶。采用一系列表征方法对所得气凝胶进行了系统分析，并详细研究了其对Ni2?的吸附行为。气凝胶中丰富的多种官能团有利于从废水中高效快速地去除Ni2?。本研究不仅为Ni2?去除提供了一种有前景的生物质吸附剂，还为基于协同配位的多功能吸附剂合理设计以高效吸附重金属离子提供了新的见解。**片段****材料**木质素磺酸钠（SLS，AR）购自山东西亚化工有限公司。碳酰肼（CDH，98%以上）、L-(+)-半胱氨酸（L-Cys，99%，HPLC）、六水合硫酸镍（NiSO?·6H?O，99%）、柠檬酸铵（AC，AR）、丁二酮肟（DMG，97%以上）、戊二醛（GA，RG）和氯化钠（NaCl，99%）购自上海 Titan Scientific Co., Ltd.。过硫酸铵（APS，AR）和氯化钾（KCl，AR）购自湖南慧宏试剂有限公司，以及无水…**结构确认**CDH、L-Cys、SLS和SLS/CDH/L-Cys的FT-IR谱图如图2a所示。复合气凝胶保留了―SO??在1126 cm?1和1051 cm?1处的特征吸收带，表明SLS骨架结构的存在[28]。同时，SLS中位于1197 cm?1附近的吸收峰在交联后偏移至1126 cm?1，表明―SO??与氨基之间形成了静电相互作用。由于―CH?的引入，2938 cm?1处的吸收增强…**结论**本研究通过一锅法策略成功制备了SLS/CDH/L-Cys复合气凝胶，用于从水溶液中高效快速去除Ni2?。结构表征表明，多种成分的协同引入重构了交联网络，并丰富了气凝胶表面的官能团（―SO??、―NH?、―COOH和―SH），形成了稳定的三维多孔结构。在优化条件下，…**CRediT作者贡献声明****Sulei Lei：** 撰写——初稿，调查研究，数据整理。**Hui Liu：** 撰写——审阅与编辑，监督，项目管理。**Yufei Ling：** 撰写——审阅与编辑，调查研究，数据整理。**Yuxuan Wang：** 撰写——审阅与编辑，调查研究，数据整理。**Dingjue Gao：** 撰写——审阅与编辑，调查研究，数据整理。**利益冲突声明**作者声明他们没有任何已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。**致谢**本研究得到了长沙自然科学基金（kq2202086）的资金支持，作者感谢科学罗盘（www.shiyanjia.com）提供XRD表征方面的宝贵帮助。**利益冲突**作者声明他们没有任何已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。Sulei Lei | Dingjue Gao | Yuxuan Wang | Yufei Ling | Hui Liu