基于辐射诱导接枝技术将椰果废料增值转化为可持续生物吸附剂用于去除Cs(I)

《Sustainable Chemistry for the Environment》：Valorization of Nata de Coco Waste into Sustainable Bioadsorbent for Cs(I) Removal via Radiation-Induced Grafting

　　

本研究聚焦于开发一种基于细菌纤维素（BC）膜的绿色生物吸附剂，该膜来源于废弃椰果（Nata de coco），是一种丰富且可持续的细菌纤维素来源，被用作去除水溶液中Cs(I)离子的生物基功能主干材料。研究人员通过同时伽马射线诱导接枝聚合（一种环境友好且无需引发剂的界面表面工程技术），以甘氨酰甲基丙烯酸酯（GMA）为接枝单体对BC膜进行改性。最佳接枝条件为GMA浓度4% v/v、辐照剂量20 kGy。随后，接枝后的BC用亚氨基二乙酸（IDA）进行功能化，获得约1.5 mmol g-1的IDA基团密度，最终生物吸附剂标记为BC-g-PGMA/IDA。研究人员系统评估了BC-g-PGMA/IDA对Cs(I)离子的吸附性能，并与合成对应物PE/PP-g-PGMA/IDA进行了比较。该BC吸附剂表现出优异的吸附性能，在初始Cs(I)浓度为10 mg L-1时，最大吸附容量达到3 mg g-1。动力学分析表明其符合伪一级吸附行为，受外部传质控制。研究人员还评估了吸附剂在十个循环中的可重复使用性，结果表明其性能稳定，在整个循环中吸附效率始终保持在91 ± 1.87%以上。这些结果证明，BC-g-PGMA/IDA是一种高效且环境友好的生物吸附剂，在从污染水中去除Cs(I)的实际应用中具有巨大潜力。

论文解读文章

1. 研究背景与意义

放射性铯同位素，特别是铯-134和铯-137，因核事故和武器试验等人为活动释放到环境中，成为长期的环境隐患。其中，铯-137因其约30.28年的长半衰期和高水溶性及迁移性尤为令人担忧，能够广泛扩散至陆地、水生和海洋生态系统，并通过污染水和食物链增加人体暴露风险，导致癌症、基因突变等健康危害。此外，电弧炉炼钢产生的铁渣也可能因掺入受污染的废金属而成为二次放射性铯源。

在众多Cs(I)去除技术中，吸附法因操作简便、成本效益高、效率高且适应性强而备受青睐。然而，传统吸附剂常依赖合成聚合物或含潜在有害成分的材料，引发环境和可持续性问题。因此，开发环保、可生物降解且易于获取的吸附剂成为研究热点。泰国盛产的椰子水经细菌发酵生产椰果时会产生大量修剪废料，这些富含细菌纤维素的废弃物通常被丢弃，却具备高附加值利用潜力。将其转化为细菌纤维素（BC）薄膜，可作为理想的吸附平台。

以往研究中，多数纤维素基吸附剂需引入普鲁士蓝等无机离子交换材料作为主要吸附组分。因此，开发无金属的功能化细菌纤维素吸附剂具有重要意义。本研究旨在利用椰果废料制备BC薄膜，通过辐射诱导接枝聚合（RIGP）这一绿色、无需引发剂的界面工程策略，接枝GMA单体，再进一步功能化IDA基团，开发出一种新型、可持续的生物吸附剂，用于高效去除Cs(I)。

2. 主要关键技术方法

研究人员采用的主要关键技术包括：

1. 1.
   椰果废料的预处理与BC薄膜制备：将市售椰果清洗、打浆、过滤后，经碱处理纯化纤维素，真空抽滤成型并干燥，得到BC薄膜。
2. 2.
   同步辐射诱导接枝聚合：将BC薄膜浸入GMA甲醇溶液中，在⁶⁰Co伽马辐照源下进行同步辐照，实现GMA单体在BC表面的共价接枝，获得BC-g-PGMA。
3. 3.
   亚氨基二乙酸（IDA）功能化：通过环氧基开环反应，将IDA引入接枝后的BC-g-PGMA表面，形成最终吸附剂BC-g-PGMA/IDA。

3. 研究结果

3.1 最佳接枝条件的确定

研究人员考察了GMA浓度（1-5% v/v）和辐照剂量（10-25 kGy）对接枝度的影响。结果显示，在GMA浓度为4% v/v、辐照剂量为20 kGy时达到最佳接枝条件，此时接枝度最高。

3.2 IDA基团密度与转化率

通过重量分析法计算，BC-g-PGMA/IDA的IDA基团密度约为1.5 mmol g^-1，环氧基向IDA的转化率也通过相应公式计算得出，表明成功引入了大量功能性羧基位点。

3.3 材料表征

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、接触角（CA）和X射线光电子能谱（XPS）等手段对材料进行了全面表征。FTIR证实了GMA和IDA的成功接枝；TGA显示改性后热稳定性变化；SEM观察到表面形貌改变；XPS则确认了表面化学组成的变化。

3.4 Cs(I)吸附性能评估

研究人员系统评估了BC-g-PGMA/IDA对Cs(I)的吸附性能，并与合成聚合物基底PE/PP-g-PGMA/IDA进行了对比。实验结果表明，在初始Cs(I)浓度为10 mg L^-1时，BC基吸附剂的最大吸附容量达到3 mg g^-1。动力学分析表明，吸附行为符合伪一级动力学模型，受外部传质控制。

3.5 可重复使用性

研究人员评估了吸附剂在十个吸附-脱附循环中的可重复使用性能。结果显示，BC-g-PGMA/IDA在整个循环过程中保持了稳定的吸附效率，始终高于91 ± 1.87%，显示出优异的再生能力和实际应用潜力。

4. 讨论与结论

讨论总结：研究结果表明，源自椰果废料的BC薄膜作为主干材料，通过RIGP接枝GMA并功能化IDA后，能够有效去除水溶液中的Cs(I)。与合成聚合物基底相比，BC基吸附剂展现出相当的吸附性能，但其源自可再生生物质废物的特性赋予了它显著的可持续性和环境友好优势。吸附动力学受外部传质控制的发现为进一步优化吸附工艺提供了方向。优异的可重复使用性表明该材料在实际水处理中具有经济可行性。

研究结论：本研究成功开发了一种基于椰果废料衍生的细菌纤维素、经辐射诱导接枝和IDA功能化的绿色生物吸附剂BC-g-PGMA/IDA。该吸附剂对Cs(I)具有良好的吸附能力，在低浓度条件下表现高效，且可重复使用性优异。这项工作证明了将农业工业废弃物转化为高性能、环保型放射性铯去除材料的可行性，为开发可持续的水净化解决方案奠定了坚实基础。