使用淀粉丙烯酸酯和八臂（3-巯基丙基）立方硅氧烷水凝胶从水中去除Cd2+和Pb2+重金属离子

《Process Safety and Environmental Protection》：Removal of Cd2+ and Pb2+ heavy metal ions from aqueous water using starch acrylate and octa-armed (3-thiolpropyl) cubic silsesquioxane hydrogel

本研究通过交联淀粉丙烯酸与八臂（3-巯基丙基）立方硅氧烷制备环保水凝胶，经表征其热稳定性显著提升。实验表明该水凝胶对Pb2?和Cd2?的最大吸附容量分别为381.30和366.80 mg/g，60分钟内快速吸附，Langmuir等温线和伪一级动力学模型拟合良好，热力学证实吸附为自发内吸热过程，且具有离子共存下的稳定性，适用于水体重金属污染治理。

　　水污染问题已成为全球环境治理中最为紧迫的挑战之一，尤其是在工业活动日益频繁的背景下，重金属离子的排放对生态环境和人类健康构成了严重威胁。铅（Pb2?）和镉（Cd2?）等重金属离子因其毒性、持久性和在生物体内的累积性，被广泛认为是水体污染中最危险的污染物之一。这些离子一旦进入水环境，不仅会对水生生态系统造成破坏，还可能通过食物链进入人体，引发多种健康问题，如神经系统损伤、心血管疾病以及肾功能障碍等。因此，开发高效、环保且经济的重金属去除技术，对于改善水质和保护生态环境具有重要意义。

在众多重金属去除方法中，吸附法因其操作简便、成本低廉以及高效率而受到广泛关注。吸附法通过使用特定的吸附材料，将重金属离子从水溶液中捕获并固定在其表面或内部，从而实现净化目的。近年来，随着对可持续材料的重视，研究人员开始探索基于天然聚合物的吸附材料。天然聚合物因其来源广泛、可再生、无毒、可降解等特性，被认为是替代传统合成材料的理想选择。其中，淀粉类材料因其丰富的羟基和羧基等官能团，具有良好的吸附性能，成为吸附重金属离子的研究热点。

淀粉丙烯酸酯（StA）作为一种常见的淀粉改性材料，因其可溶性、亲水性和良好的机械性能而被广泛用于吸附材料的制备。此外，八臂（3-硫醇丙基）立方硅氧烷（OTCSS）因其独特的三维结构和丰富的硫醇基团，表现出优异的重金属吸附能力。硫醇基团（-SH）具有较强的配位能力，能够与重金属离子形成稳定的配合物，从而有效去除水中的有害物质。因此，将StA与OTCSS结合，构建具有高吸附性能的淀粉基水凝胶，成为一种具有前景的吸附材料研究方向。

本研究中，科研人员通过化学交联的方法，将淀粉丙烯酸酯与八臂（3-硫醇丙基）立方硅氧烷结合，制备出一种新型的环境友好型水凝胶材料。该材料不仅具备良好的吸附性能，还具有较高的热稳定性和机械强度，能够满足实际应用中对吸附材料的要求。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、能谱分析（EDX）和热重分析（TGA）等技术手段，对水凝胶的结构和性能进行了系统的表征。实验结果表明，该水凝胶在初始浓度为200 ppm的情况下，对Pb2?和Cd2?的吸附容量分别达到了381.30 mg/g和366.80 mg/g，显示出显著的吸附能力。此外，在优化条件下，水凝胶能够在60分钟内快速吸附Pb2?和Cd2?，表明其具有良好的吸附动力学性能。

在吸附动力学研究中，科研人员采用伪一级动力学模型对吸附过程进行了拟合，发现该模型能够较好地描述实验数据，说明吸附过程主要受到表面扩散或单层吸附的控制。同时，通过吸附等温线分析，研究发现该水凝胶对Pb2?和Cd2?的吸附行为符合Langmuir等温模型，表明吸附过程在单层状态下达到饱和，且吸附位点具有均匀性和有限性。从热力学角度分析，吸附过程被证实为吸热且自发进行，这说明提高温度有助于增强吸附能力，同时吸附反应在热力学上是可行的。

此外，该水凝胶在实际应用中表现出良好的选择性。实验结果表明，即使在存在其他离子的情况下，水凝胶仍然能够高效吸附Pb2?和Cd2?，显示出其在复杂水体环境中的应用潜力。这种选择性可能是由于水凝胶中的硫醇基团与重金属离子之间形成了较强的配位键，而与其他离子的相互作用相对较弱。因此，该材料在实际水处理过程中具有一定的抗干扰能力，能够有效去除特定的重金属离子。

与其他吸附材料相比，该水凝胶在吸附性能上表现出显著优势。例如，一些基于天然聚合物的吸附材料，如氧化淀粉纳米颗粒（OSNPs）、磁性淀粉微球、以及含有羧酸和氨基基团的淀粉基水凝胶，其对Pb2?和Cd2?的吸附容量通常在几十到几百毫克/克之间。而本研究中制备的StA-OTCSS水凝胶，其吸附容量远高于这些材料，显示出更优异的吸附性能。这可能归因于OTCSS中的硫醇基团提供了更多的吸附位点，并且其立方笼状结构有助于增加材料的比表面积，从而提高吸附效率。同时，水凝胶的结构设计使其能够有效结合重金属离子，避免了传统吸附材料在吸附后难以分离的问题。

在实际应用中，吸附材料的性能不仅取决于其吸附能力，还与其可回收性和重复使用性密切相关。因此，科研人员还对StA-OTCSS水凝胶的可重复使用性进行了评估。实验表明，经过多次吸附-解吸循环后，水凝胶仍能保持较高的吸附能力，说明其具有良好的稳定性和可重复使用性。这种特性对于降低水处理成本、提高材料利用率具有重要意义。此外，水凝胶在吸附重金属离子后，可以通过简单的洗涤和干燥过程进行再生，从而实现资源的循环利用。

在工业和环境治理领域，吸附材料的开发和应用需要兼顾其环保性和经济性。StA-OTCSS水凝胶作为一种基于天然材料的吸附剂，不仅具有良好的吸附性能，还符合绿色化学的原则。其原料来源广泛，制备过程相对简单，且在使用后可以通过物理方法进行回收和再利用，减少了对环境的二次污染。同时，水凝胶的结构和功能化设计使其能够在多种环境条件下保持稳定的吸附性能，从而拓展了其在实际水处理中的应用范围。

从材料科学的角度来看，水凝胶的结构设计对其吸附性能具有重要影响。StA-OTCSS水凝胶通过将八臂（3-硫醇丙基）立方硅氧烷作为交联剂，构建了具有三维网络结构的材料，这种结构不仅提高了水凝胶的机械强度，还增强了其对重金属离子的捕获能力。此外，硫醇基团的引入为水凝胶提供了额外的吸附位点，使其能够与重金属离子形成稳定的配合物，从而提高吸附效率。通过调节StA和OTCSS的比例，科研人员能够进一步优化水凝胶的性能，使其在不同金属离子的吸附中表现出良好的适应性。

在实际水处理过程中，吸附材料的选择往往受到多种因素的影响，包括吸附条件、污染物浓度、水体pH值以及目标污染物的种类等。因此，对水凝胶的吸附性能进行系统研究，有助于确定其在不同应用场景下的适用性。本研究中，科研人员对水凝胶的吸附性能进行了多方面的评估，包括吸附容量、吸附时间、pH值的影响以及与其他离子的共存情况。这些研究不仅揭示了水凝胶在吸附Pb2?和Cd2?过程中的表现，还为其在复杂水体环境中的应用提供了理论依据。

除了吸附性能，水凝胶的热稳定性和机械性能也是其在实际应用中需要考虑的重要因素。热稳定性决定了水凝胶在高温环境下的使用效果，而机械性能则影响其在实际操作中的耐用性。本研究中，通过热重分析（TGA）对水凝胶的热稳定性进行了评估，结果显示其在高温条件下仍能保持结构完整性，表明该材料具有良好的耐热性。此外，水凝胶的机械强度也得到了验证，这使其能够在实际水处理过程中承受一定的物理应力，提高了其在复杂环境中的适用性。

总体而言，StA-OTCSS水凝胶作为一种新型的吸附材料，具有较高的吸附容量、良好的吸附动力学性能以及优异的热稳定性和机械性能。这些特性使其在重金属离子的去除过程中表现出显著优势，能够有效应对水污染问题。同时，该材料的可再生性和环保性也符合当前可持续发展的需求，为未来水处理技术的创新提供了新的思路和方向。未来的研究可以进一步探索该水凝胶在其他重金属离子吸附中的应用，以及如何通过结构优化提高其吸附效率和选择性，从而推动其在实际环境治理中的广泛应用。