木质素基阳离子水凝胶的制备及其对水环境中双氯芬酸的高效吸附特性研究

这篇研究报道了一种新型木质素磺酸盐-聚丙烯酰胺-阳离子单体（LS-pAAm-DAC）水凝胶的合成与表征，通过自由基聚合引入季铵基团，构建了具有三维多孔结构的阳离子功能化吸附材料。该水凝胶展现出优异的溶胀性能（800%吸水率）和热稳定性（TdIII=367°C），对阴离子药物双氯芬酸钠（DCF-Na）的吸附遵循伪二级动力学模型（R2>0.99），最大吸附容量达62.55 mg/g（Langmuir模型）。研究首次在填充柱实验中验证了其连续处理能力（54 mg/g），为木质素资源化利用和新兴污染物治理提供了创新解决方案。

　　

材料设计与合成

研究团队通过自由基聚合反应，以木质素磺酸盐（LS）为天然骨架，丙烯酰胺（AAm）为单体，N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBAAm）为交联剂，创新性引入阳离子单体[2-（丙烯酰氧基）乙基]三甲基氯化铵（DAC）。该设计利用KPS/TEMED氧化还原引发体系在40°C温和条件下完成聚合，形成具有互穿网络结构的LS-pAAm-DAC水凝胶。傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）在1729 cm^-1处检测到酯基特征峰，1475 cm^-1处出现季铵基团振动峰，证实了DAC的成功嫁接。

材料特性解析

扫描电镜（FE-SEM）显示材料具有10-100 μm级贯通多孔结构，为污染物扩散提供通道。热重分析（TGA）显示其三阶段降解特性，最大降解温度较纯聚丙烯酰胺（pAAm）提升24°C（T_dIII从343°C升至367°C），残炭率达16%。流变学测试表明其储能模量（G′）始终高于损耗模量（G″），在1%应变下保持2300 Pa的弹性强度，温度升至50°C时仍保持稳定。溶胀实验证实其6小时可达800%吸水率，干燥过程中通过羧基/酰胺基氢键作用实现水分缓释。

吸附机制研究

针对阴离子型药物双氯芬酸钠（DCF-Na），水凝胶通过三重作用机制实现高效吸附：①季铵基团（-N⁺(CH₃)₃）与羧酸根的静电吸引；②木质素苯环与DCF芳环的π-π堆积；③酰胺基与药物氨基的氢键作用。批式实验显示其吸附过程符合伪二级动力学（k₂=0.01566 g/(mg·min)），等温线同时符合Langmuir（q_M=62.55 mg/g）和Sips模型，表明单层吸附为主、多层吸附并存的特性。

工程化验证

在填充柱实验中，4 cm床高的水凝胶柱对50 mg/L DCF-Na溶液处理时，空床接触时间（EBCT）7.6分钟条件下获得53.4 mg/g吸附容量。Thomas、Clark和Yoon-Nelson模型均能良好拟合穿透曲线（R²>0.99），预测值与实验值偏差<5%，证实了实际应用的可行性。

应用前景展望

该研究首次将木质素基水凝胶应用于NSAIDs污染物治理，其生物可降解特性（木质素含量>20%）与工业副产物利用价值，相较于传统活性炭（7.26 mg/g）和磁性纳米颗粒（52.91 mg/g）展现出显著环保优势。未来可通过调控DAC比例拓展至重金属、染料等污染物同步去除，或与光催化材料复合构建自清洁系统，为水处理领域提供绿色材料新范式。