湖南工业大学陈颖副教授&陈一教授：海藻酸钠/纤维素纳米纤维/聚丙烯酰胺复合水凝胶微

摘要：近期，湖南工业大学陈颖副教授、陈一教授等人通过微流控技术制备了一种新型海藻酸钠/纤维素纳米纤维/聚丙烯酰胺（SA/CNF/PAM）复合水凝胶微球，用于高效去除水中的重金属离子。研究显示，该材料在20°C下对Pb2+的吸附容量达676.97 mg/g（基于Lan

导读：

近期，湖南工业大学陈颖副教授、陈一教授等人通过微流控技术制备了一种新型海藻酸钠/纤维素纳米纤维/聚丙烯酰胺（SA/CNF/PAM）复合水凝胶微球，用于高效去除水中的重金属离子。研究显示，该材料在20°C下对Pb2+的吸附容量达676.97 mg/g（基于Langmuir模型），并通过化学吸附机制在pH=5及高盐环境中保持优异性能，同时展现出超过92%的循环再生效率。相关研究以“Sodium Alginate/Cellulose Nanofiber/Polyacrylamide Composite Hydrogel Microspheres for Efficient Removal of Heavy Metal from Water”为题目，发表在期刊《ChemistrySelect》上。

本文要点：

1、本研究采用微流控技术开发了一种新型海藻酸钠基复合水凝胶微球（SA/CNF/PAM），用于高效去除水体重金属离子。将聚丙烯酰胺（PAM）接枝到多孔SA/CNF微球表面，显著提升了吸附性能。

2、实验表明，PAM的引入增加了活性位点，使Pb2+吸附容量在20°C时达到676.97 mg/g（Langmuir模型）。吸附过程符合Langmuir等温线和伪二级动力学模型，表明以化学吸附为主。

3、该材料在pH=5时吸附效果最佳，且对共存离子和高盐环境（如NaCl）表现出强耐受性。

4、在模拟实际水体（自来水、湖水、河水）中，对高浓度Pb2+（500 mg/L）的吸附容量仍超过337 mg/g。

5、经5次吸附-脱附循环后，去除率保持在92.67%，展现出优异的再生性能。

6、研究证明，SA/CNF/PAM微球具备高效、稳定和可重复使用的特性，为实际废水处理提供了可行方案。

海藻酸钠/纤维素纳米纤维/聚丙烯酰胺复合水凝胶微球在重金属吸附方面有何优势？

1、超高吸附容量
对铅离子（Pb2+）的最大吸附量达676.97 mg/g（20°C，Langmuir模型），显著优于传统吸附材料及多数改性海藻酸钠基材料。

2、化学吸附主导的高效机制
氨基（-CONH2）与羧基（-COOH）协同作用，通过配位和螯合强效结合重金属，吸附过程符合伪二级动力学模型，30分钟吸附量达309.36 mg/g。

3、多孔结构加速吸附动力学
微流控技术构建的孔隙（直径约200 μm）和PAM接枝后的表面褶皱，大幅增加比表面积，促进重金属离子扩散与内部活性位点接触。

4、强环境适应性
在pH=5、高盐环境（0.5 mol/L NaCl）及真实水体（河水、湖水）中均保持高效吸附，对500 mg/L Pb2+的吸附容量仍超337 mg/g。

5、优异的再生性与稳定性
经5次吸附-脱附循环后，去除率保持92.67%，微球结构稳定，可低成本重复使用，适用于长期废水处理需求。

这种复合水凝胶微球是如何制备的？

1、材料混合与分散：将纤维素纳米纤维（CNF）与聚乙二醇（PEG）均匀分散于水溶液中，加入海藻酸钠（SA）粉末，通过加热搅拌形成均质溶液。

2、微流控成型：利用微流控技术将SA/CNF/PEG水溶液与液体石蜡形成油包水乳液，注入CaCl2溶液中固化生成多孔微球。

3、清洗与后处理：微球经异丙醇、乙醇清洗后，浸泡于CaCl2溶液进一步固化。

4、PAM接枝：将微球置于聚丙烯酰胺（PAM）溶液中，通过戊二醛交联反应将PAM接枝到微球表面，最终干燥得到SA/CNF/PAM复合微球。

图1.SA/CNF/PAM复合水凝胶微球的制备。

图2.整体SEM图像：（a）SC0.3-P4-PAM1，（b）SC0.3-P4-PDM1.5和（c）SC0.3-P4-PAM2；表面SEM图像：（d）SC0.3-P4-PAM1，（e）SC0.3-P4-PDM1.5和（f）SC0.3-P4-PAM2。

图3.（a）SC0.3-P4和SC0.3-P4-PAM2的FT-IR光谱。（b）SA、SC0.3-P0、SC0.3-PS4和SC0.3-P4-PAM2的TGA曲线。

图4.（a）不同样品对Pb2+的吸附能力（25°C，pH=5，C0=400 mg/L）；（b–d）各种环境因素对SC0.3-P4-PAM2吸附Pb2+的影响：（b）时间（25°C，pH=5，C0=400 mg/L），（c）pH（C0=400 mg/L，25°C），（d）初始浓度和温度（pH=5）。

图5.（a–c）模拟水生环境对SC0.3-P4-PAM2样品吸附Pb2+的影响：（a）共存离子（25°C，pH=5），（b）NaCl浓度（25°C，pH=5，C0=400mg/L），（c）不同水体（25°C，pH=5）；（d）SC0.3-P4-PAM2吸附Pb2+的可重复性（25°C，pH=5，C0=300 mg/L）。