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  水污染是人類(lèi)必須面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樯a(chǎn)紙、皮革、塑料、金屬、布等生活必需品產(chǎn)生的大量廢水對(duì)人類(lèi)健康和生態(tài)平衡構(gòu)成重大威脅。富碳?xì)饽z材料由于其質(zhì)輕、比表面積大、抗霉變等優(yōu)異性能而成為去除污水中污染物分子的理想吸附劑。

  近日，西安工業(yè)大學(xué)周宏偉教授團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種以柚子皮內(nèi)層組織（PP）和水為原料的生物質(zhì)衍生海綿狀碳質(zhì)氣凝膠材料(CS)。這種氣凝膠材料具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，且對(duì)模擬廢水中有機(jī)污染物如亞甲基藍(lán)（MB），甲基橙(MO)，結(jié)晶紫(CV)具有快速且高效的吸附能力（Fig.1）。該工作已以“Renewable biomass derived hierarchically porous carbonaceous sponges and their magnetic nanocomposites for removal of organic molecules from water”為題，在線(xiàn)發(fā)表于《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》上（Journal of Industrial & Engineering Chemistry, 2017, https://doi.org/10.1016/j.jiec.2017.09.046）。

Fig.1 Illustration of the organic molecules removal process utilizing the hierarchically porous CS as adsorbents.

  該工作首先研究了柚子皮內(nèi)層蓬松組織和衍生碳質(zhì)氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。如Fig.2所示，柚子皮內(nèi)層組織由不規(guī)則的薄壁組織和嵌入其中的導(dǎo)管組成。在經(jīng)過(guò)一步溫和水熱處理之后，蓬松的柚子皮內(nèi)層組織轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢◤椥缘暮谏假|(zhì)水凝膠，進(jìn)一步冷凍干燥過(guò)程將水凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)楹＞d狀的棕黑色碳質(zhì)氣凝膠。該氣凝膠的密度可低至15 mg/cm3。SEM表征結(jié)果表明這種衍生氣凝膠具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)。在低放大倍數(shù)下可以觀察到該碳質(zhì)氣凝膠由薄片狀多孔結(jié)構(gòu)組成，孔徑在幾十到幾百微米。進(jìn)一步對(duì)薄片結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)孔壁由含碳球網(wǎng)絡(luò)組成。

Fig. 2 Macroscopic appearance and microscopic morphology of PP and CS. (a) Typical SEM image of fracture surface of freeze-dried PP. The scale bar is 200 μm. The inset shows a photograph of a fresh cylindric PP. (b) The marked part in (a) with a rectangle is magnified. The scale bar is 20 μm. (c) Photograph of a cylindric carbonaceous hydrogel. (d) Photograph of a cylindric CS. (e) A piece of CS is put on a dog tail grass. (f) A piece of CS floats on the surface of water. (g)-(j) Typical SEM images of CS and the magnified images of the marked parts with rectangle. The scale bars are 80 μm, 20 μm, 5 μm and 1 μm for (g), (h), (i) and (j), respectively.

  由于這種碳質(zhì)氣凝膠沒(méi)有完全碳化，在其表面含有豐富的反應(yīng)性官能團(tuán)，如羥基、羧基等，可以作為基體材料實(shí)現(xiàn)功能化復(fù)合。在本工作中，研究人員嘗試?yán)迷蝗軇岱▽e3O4納米粒子引入該網(wǎng)絡(luò)中，成功構(gòu)筑了磁性碳質(zhì)氣凝膠（MSC）。如Fig.3所示，通過(guò)一系列表征證明了Fe3O4納米粒子的成功引入。和純碳質(zhì)氣凝膠相比，磁性碳質(zhì)氣凝膠的孔壁變厚，上邊附著了一層直徑約為150 nm的Fe3O4磁納米粒子，但是多級(jí)孔結(jié)構(gòu)被很好地保留。

Fig. 3 Macroscopic appearance and microscopic morphology of MCS. (a) Photograph of a MCS strip. (b) MCS is lifted by a quadrate magnet. (c)-(e) Typical SEM images of fracture surface of MCS under different magnifications. From (c) to (e), the scale bars are 200 μm, 40 μm and 1 μm, respectively.

  此外，碳質(zhì)氣凝膠含有的大量官能團(tuán)和多級(jí)孔結(jié)構(gòu)也為有機(jī)污染物分子的吸附提供了有力保障。以碳質(zhì)氣凝膠作為吸附劑，將分別含有亞甲基藍(lán)（MB），甲基橙(MO)，結(jié)晶紫(CV)的模擬廢水經(jīng)注射器過(guò)濾，發(fā)現(xiàn)從注射器流出的液體呈無(wú)色透明狀，說(shuō)明溶液里面的大部分染料分子被成功去除。這一過(guò)程只需要幾十秒便可完成（Fig. 4）。

Fig. 4 Photographs showing the pressure assisted removal of MB (solution 1 and 2), MO (solution 3 and 4) and CV (solution 5 and 6).

  進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這種碳質(zhì)氣凝膠對(duì)MB，MO和CV的平衡吸附量可以分別達(dá)到0.0769 g/g，0.2218 g/g和1.0384 g/g，使用過(guò)的氣凝膠材料經(jīng)進(jìn)一步水熱處理和凍干再生之后對(duì)三種染料分子的吸附能力可以分別達(dá)到0.0640 g/g，0.0736 g/g和0.2280 g/g。對(duì)于磁性碳質(zhì)氣凝膠，還可以在吸附有機(jī)分子之后利用外加磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)方便的固液分離，其對(duì)MB，MO和CV的平衡吸附量可以分別達(dá)到0.0635 g/g，0.0977 g/g和0.8634 g/g，再生之后的吸附量可以分別達(dá)到0.0410 g/g, MB 0.0552 g/g和0.2103 g/g。

  總之，本工作發(fā)展了一種可再生生物質(zhì)衍生低成本、多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳質(zhì)氣凝膠的制備方法。這種特殊的結(jié)構(gòu)不僅使該碳質(zhì)氣凝膠在水中有機(jī)分子吸附方面有很好的應(yīng)用前景，而且提供了一個(gè)制備功性能復(fù)合材料的平臺(tái)。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化或功能化，該類(lèi)材料也可應(yīng)用于氣體過(guò)濾、超級(jí)電容器、催化、相變儲(chǔ)能等方面。

  感謝國(guó)家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃、陜西省青年人才托舉計(jì)劃、西安工業(yè)大學(xué)科研啟動(dòng)基金的支持！

  論文鏈接：

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1226086X17305324?_rdoc=1&_fmt=high&_origin=gateway&_docanchor=&md5=b8429449ccfc9c30159a5f9aeaa92ffb