孙宝国院士团队联合五粮液技术中心
黄水多糖-海藻酸钠基凝胶珠的制备、表征、溶胀和对Cu2+吸附机理研究
2024年9月，孙宝国院士团队联合宜宾五粮液技术中心成员在环境科学与生态领域1区TOP期刊Journal of Cleaner Production（5年SCI影响因子为10.2）发表题为“Preparation, characterization, and mechanism of swelling and Cu2+ adsorption by alginate-based beads enhanced with Huangshui polysaccharides”（黄水多糖-海藻酸钠基凝胶珠的制备、表征、溶胀和对Cu2+吸附机理研究）的研究论文。该论文的第一作者是吴紫妍博士，第二作者是苏建高级工程师，通讯作者是吴继红副教授。
1摘要
黄水（HS）作为生物质资源，是中国白酒传统固态发酵的高产副产品。研究旨在可持续地利用黄水粗多糖（cHSP）制备基于海藻酸盐的珠子，以促进废水中Cu2的吸附，并探索相关机制。通过Ca2+诱导交联合成了海藻酸钠/F3O4（Mag-SA）珠，同时通过将cHSP固定在Mag-SA基质中制备了Mag-SA-cHSP珠。分别使用FTIR、SEM-EDS、XRD、VSM、TGA、Zetasizer和XPS分析了珠的化学结构、物理性能和形态。对溶胀性能、吸附能力、动力学和热力学特性等进行了研究，以更好地阐明cHSP增强Cu2?吸附的机理。结果表明，添加1.0 wt%的cHSP可提供稳定的三维结构，并增强热稳定性、溶胀性能和吸附能力。在将cHSP掺入珠粒后，溶胀比从75.29 g/g增加到86.56 g/g，这是由水扩散和链松弛驱动的。cHSP嵌入珠粒后，Cu2+的吸附容量从59.10mg/g提高到67.89mg/g，这涉及离子交换、螯合和静电相互作用。此外，在四次吸附-解吸循环后，珠子保留了其初始吸附容量的66%-71%，表明可以重复使用以降低成本。研究提出了一种提高黄水利用价值的新方法，并开发了一种可重复使用且高效的材料，以环保的方式从废水中去除重金属离子。2研究内容
研究创新性地利用黄水粗多糖（cHSP）增强海藻酸钠（SA）基凝胶珠的理化性能，以促进其对废水中Cu2?的吸附，并探索潜在的作用机理。研究通过掺入Fe3O4来提高机械强度，并通过与cHSP交联来改性SA/Fe3O4基体，以改善Cu2+的吸附。添加1.0 wt%的cHSP增加了珠粒的热稳定性和孔隙率，分别使溶胀比和吸附容量增加了16%和14.9%。虽然溶胀和吸附的机制主要是物理的，但珠粒与Cu2+之间的螯合化学吸附不容忽视，这使得珠粒比溶胀珠粒更小、更粗糙。制备的珠粒成本低廉，可重复用于处理Cu2+废水，cHSP可成为去除废水中重金属离子的潜在生物资源。
3总结展望
应用黄水多糖强化Cu2?废水处理，不仅可以降低黄水废水中高分子量有机物的含量，还可以提高其利用率。铜（Cu）是废水中普遍存在的有害污染物，制备的珠子为Cu2?吸附提供了一种可重复使用且高效的理论解决方案。此外，这些珠子可以使用外部磁场很容易地从系统中分离出来，使其成为处理Cu2?废水的绿色有效材料，而不会将新的污染物引入水系统。然而，本研究仅限于Cu2+的单一体系。未来的研究应侧重于探索其他重金属离子和染料的二元或多元吸附系统，以扩大Mag-SA-cHSP吸附剂的应用。4图文赏析
图1 cHSP的最优添加量及凝胶珠的化学键和物相分析
图2 凝胶珠的表观和截面形貌特征
图3 凝胶珠的元素组成及相对含量
图4 凝胶珠表面元素化学态和化学键分析
图5 凝胶珠的溶胀性能及机理
图6 凝胶珠的吸附性能及机理
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.143622
