基于甲壳素纳米纤维与阳离子木质素的复合水凝胶高效去除废水中纳米塑料污染物的研究

本研究针对水体中微塑料污染日益严重的环境问题，开发了一种由甲壳素纳米纤维(ChNFs)和阳离子改性木质素(Q-KL)构成的生物基复合水凝胶(CQ1)。该材料在中性pH条件下展现出1,790.8 mg/g的超高吸附容量，通过静电作用和π-π相互作用高效捕获带负电的聚苯乙烯纳米塑料(PS)，且经三次循环后仍保持93.7%的吸附效率。这项研究为可持续水处理技术提供了创新解决方案，相关成果发表于《Advanced Composites and Hybrid Materials》。

　　

微塑料污染的严峻挑战与生物基材料的破局

全球每年有超过1.7万亿个塑料颗粒进入海洋，其中直径小于100纳米的塑料碎片能穿透生物屏障，通过食物链威胁人类健康。韩国仁川-京畿海滩和洛东江河口的微塑料浓度高居全球前列，促使政府出台严格管控政策。然而，现有技术难以有效清除环境中的遗留微塑料，尤其是纳米级塑料颗粒。传统吸附材料如活性炭成本高、再生困难，而生物质材料因其可持续性和结构可调性成为研究热点。

技术路线创新

研究团队通过三步关键技术创新：

1. 1.

   木质素阳离子化：采用缩水甘油基三甲基氯化铵(GTMAC)对牛皮纸木质素(KL)进行季铵化改性，获得带正电的Q-KL（取代度0.25），其zeta电位在pH 7时为+12.1 mV；

2. 2.

   复合水凝胶构建：将Q-KL与ChNFs以1:9比例混合，通过表氯醇交联并冷冻干燥，形成具有40-100 μm孔径的三维网络结构；

3. 3.

   吸附-脱附系统优化：结合机械挤压（86.2%脱附率）和乙醇处理实现材料再生。

核心研究发现

3.1 材料特性表征

冷冻电镜显示CQ₁水凝胶具有开放孔道结构，比表面积达28.5 m²/g。Q-KL颗粒均匀分布在ChNFs骨架上，XPS证实季铵基团（402.5 eV）和芳香结构共存。压缩测试表明材料在90%应变下仍保持26.51 kPa强度，水下4秒内即可恢复原状。

3.2 卓越吸附性能

Langmuir模型拟合显示单层吸附容量达1,790.8 mg/g，是活性炭的15倍。动力学分析符合伪二级模型，表明化学吸附主导过程。实际水体测试（汉江水源）中，即使PS浓度达2,000 mg/L仍保持93.3%去除率，UV-Vis证实完全清除。

3.3 作用机制解析

XPS发现吸附后C-C峰强度从49.1%增至72.4%，N 1s信号向高结合能偏移（Δ=0.3 eV），证实季铵基团与PS的静电吸引。FTIR中1558 cm^-1峰位移揭示π-π堆叠作用，理论计算表明87.1%表面区域参与吸附。

3.4 可持续应用验证

抗菌测试显示对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑菌率>99.9%。25天内可完全生物降解，100次溶胀循环后仍保持49.1 g/g吸水率。成本分析显示处理每克PS仅需0.38美元，较传统材料降低60%。

环境工程领域的里程碑

该研究首次实现木质素原生形态对纳米塑料的高效捕获，突破生物质材料机械强度与吸附容量的权衡瓶颈。CQ₁水凝胶的pH适应性（5-8）和海绵特性使其适用于污水处理厂沉淀池等场景，为《水环境保护法》规定的排放标准达标提供技术支撑。未来通过调控孔径分布和表面电荷密度，有望进一步拓展至全谱系微塑料去除领域。