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  水污染是人類必須面對的一個問題，因為生產(chǎn)紙、皮革、塑料、金屬、布等生活必需品產(chǎn)生的大量廢水對人類健康和生態(tài)平衡構(gòu)成重大威脅。富碳氣凝膠材料由于其質(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)大學周宏偉教授團隊發(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孔結(jié)構(gòu)，且對模擬廢水中有機污染物如亞甲基藍（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管組成。在經(jīng)過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，進一步冷凍干燥過程將水凝膠轉(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。進一步對薄片結(jié)構(gòu)進行精細觀察發(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)氣凝膠沒有完全碳化，在其表面含有豐富的反應性官能團，如羥基、羧基等，可以作為基體材料實現(xiàn)功能化復合。在本工作中，研究人員嘗試利用原位溶劑熱法將Fe3O4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和多級孔結(jié)構(gòu)也為有機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（MB），甲基橙(MO)，結(jié)晶紫(CV)的模擬廢水經(jīng)注射器過濾，發(fā)現(xiàn)從注射器流出的液體呈無色透明狀，說明溶液里面的大部分染料分子被成功去除。這一過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).

  進一步研究發(fā)現(xiàn)，這種碳質(zhì)氣凝膠對MB，MO和CV的平衡吸附量可以分別達到0.0769 g/g，0.2218 g/g和1.0384 g/g，使用過的氣凝膠材料經(jīng)進一步水熱處理和凍干再生之后對三種染料分子的吸附能力可以分別達到0.0640 g/g，0.0736 g/g和0.2280 g/g。對于磁性碳質(zhì)氣凝膠，還可以在吸附有機分子之后利用外加磁場實現(xiàn)方便的固液分離，其對MB，MO和CV的平衡吸附量可以分別達到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)氣凝膠在水中有機分子吸附方面有很好的應用前景，而且提供了一個制備功性能復合材料的平臺。經(jīng)過進一步轉(zhuǎn)化或功能化，該類材料也可應用于氣體過濾、超級電容器、催化、相變儲能等方面。

  感謝國家自然科學基金、陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃、陜西省青年人才托舉計劃、西安工業(yè)大學科研啟動基金的支持！

  論文鏈接：

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