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合成染料廣泛用于各種行業(yè)，但對水體構(gòu)成嚴(yán)重的污染問題。這些染料不僅有毒，而且在環(huán)境中長期存在不降解。大多數(shù)從水中去除合成染料的方法都是基于吸附——一種化學(xué)分子與稱為吸附劑的基材表面結(jié)合的現(xiàn)象。碳基系統(tǒng)通常被用作吸附劑，但它們受限于對使用過的吸附劑的安全處置途徑的需求以及無法重復(fù)使用該材料。許多聚合物也作為吸附劑進(jìn)行了研究，但它們的水溶性和穩(wěn)定性較差。
近，一個國際研究團(tuán)隊開發(fā)了一種新型環(huán)保且可重復(fù)使用的納米復(fù)合材料解決方案，用于去除廢水中的有毒染料。
“羧甲基纖維素 (CMC) 是一種廉價的纖維素衍生物，易于生產(chǎn)、環(huán)保且具有生物相容性。但它的熱性能和機(jī)械性能相對較差。在我們的研究中，我們通過將其與聚丙烯酸 (PAA) 結(jié)合成功地改進(jìn)了 CMC ). 制備的材料可以成為廢水處理中離子污染物的有效吸附劑，”研究人員說。
CMC 是一種從天然纖維素中提取的具有良好特征的廉價聚合物，天然纖維素是一種在植物和微藻（如小球藻）中發(fā)現(xiàn)的豐富聚合物。在這項研究中，研究人員將 CMC 與 PAA（一種親水、無毒且安全的聚合物）相結(jié)合，并在所得水凝膠中加載氧化石墨烯。后，通過對這些水凝膠進(jìn)行反復(fù)的洗滌和冷凍干燥循環(huán)，他們將水凝膠轉(zhuǎn)化為“氣凝膠”，這是一種多孔固體網(wǎng)絡(luò)，含有具有高吸附能力的氣穴。
然后，研究小組使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡和實(shí)驗室技術(shù)對氣凝膠進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)不同水平的氧化石墨烯在氣凝膠內(nèi)產(chǎn)生了不同大小的孔隙。他們發(fā)現(xiàn)添加氧化石墨烯增加了納米復(fù)合水凝膠的比表面積和熱穩(wěn)定性。他們還發(fā)現(xiàn)水凝膠的孔徑隨著氧化石墨烯濃度的增加而減小。此外，本研究開發(fā)的氣凝膠具有吸附250 分鐘后亞甲基藍(lán)的吸附容量為 138 mg/g，這是文獻(xiàn)報道的高亞甲基藍(lán)吸附容量之一。
相關(guān)人員表示：“本研究開發(fā)的吸附劑既環(huán)保又具有成本效益，表明其在去除廢水中的陽離子染料方面具有很高的應(yīng)用潛力。”
后，研究人員發(fā)現(xiàn)，即使經(jīng)過九次使用和再生循環(huán)，新水凝膠仍保留了約 90% 的吸附能力。
然后，他們想研究水凝膠高吸附能力背后的機(jī)制，因此他們進(jìn)行了密度泛函理論 (DFT) 模擬。他們的模擬結(jié)果表明，亞甲基藍(lán)與氧化石墨烯的結(jié)合比與 CMC 或 PAA 的結(jié)合更強(qiáng)。他們還發(fā)現(xiàn)，亞甲基藍(lán)在納米復(fù)合材料中的氧化石墨烯上的吸附是通過 π 電子鍵、氫鍵和靜電相互作用發(fā)生的。
本研究中制備的納米復(fù)合水凝膠提供了一種環(huán)保、穩(wěn)定、高效和可重復(fù)使用的吸附材料，可去除廢水中的合成染料，改善環(huán)境和人類健康。