質量安全課題組研發新型仿生水凝膠微球并用于混合污染物吸附去除

      近日，中國農業科學院蔬菜花卉研究所質量與安全課題組制備了新型仿生水凝膠復合微球，解析了其二元化學污染物的識別作用機理，并成功用于環境樣品和食品中混合污染物的同步吸附去除，相關研究成果以“Effective adsorption and removal of malachite green and Pb²⁺ from aqueous samples and fruit juices by pollen–inspired magnetic hydroxyapatite nanoparticles/hydrogel beads”發表于Journal of Cleaner Production上（IF=11.072 Q1）。

      水凝膠是一種含有親水基團的三維聚合物網絡吸附材料，傳統水凝膠存在著化學穩定性差、機械強度和重復利用率較低等缺點，利用納米復合材料對水凝膠進行仿生功能雜化是解決上述問題的有效途徑?；ǚ劬哂刑烊恢锌盏姆旨壎嗫捉Y構，其孔溝外壁具有細密突刺和顆粒狀雕紋，這些特點賦予了花粉顆粒較高的粘附性和吸附性能。羥基磷灰石（HAP）是動物骨骼的主要組成成分，常呈現出有序多孔的自組裝結構，通過HAP摻雜修飾水凝膠進而模擬花粉的中空分級多孔結構和近球形貌，不僅能夠增強水凝膠的穩定性、機械韌性，還可顯著提升其污染物識別吸附性能。

      受牽?；ɑǚ垲w粒突刺球形結構的啟發，本研究利用鈣離子和鐵離子二次交聯法合成了磁性HAP功能化的海藻酸鈉水凝膠球，制備得到的仿生微球表面分布大量突刺并具有近球形貌。研究發現仿生水凝膠復合微球選擇分離性好、化學穩定性高、可重復利用性強，對孔雀石綠（MG）和鉛離子（Pb2+）均具有優異的吸附去除性能。利用靜態、動態、熱力學吸附模型計算深入探究了污染物在復合材料上的吸附傳質過程，揭示了靜態吸附符合Langmuir模型，主要由單分子吸附主導；MG動態吸附符合偽一階模型，Pb2+符合偽二階模型，熱力學吸附屬于自發吸熱過程；最優實驗條件下微球對MG和Pb2+的最大吸附量分別為208.06和475.50 mg/g。通過關聯SEM、PXRD、FT-IR、XPS等納米表征結果，進一步解析了溫度依賴型化學吸附主導識別并顯著增加吸附量和傳質速率的作用機理，揭示了靜電吸附、離子交換和金屬絡合等多重化學鍵協同增強污染物分子識別的互作機制。最后，該復合微球成功用于農業灌溉水和蘋果、梨、橙子等果汁樣品中二元混合污染物的吸附去除。本研究為仿生水凝膠的設計制備和修飾改性提供了新的研究思路，并為深入理解多孔吸附材料與化學污染物的識別互作、研發新型污染控制去除技術提供了全新的研究模式。

圖1仿生水凝膠復合微球的制備流程和吸附識別原理圖

圖2牽?；ɑǚ垲w粒和水凝膠復合微球的微觀結構圖

      中國農業科學院蔬菜花卉研究所為論文第一完成單位，蔬菜花卉所碩士研究生花雨薇和徐東輝研究員為共同第一作者，劉廣洋研究員為通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家大宗蔬菜產業技術體系、中國農業科學院農業科技創新工程等項目的資助和蔬菜生物育種全國重點實驗室、農業農村部蔬菜質量安全控制重點實驗室的支持。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652623013914