质量安全课题组研发新型仿生水凝胶微球并用于混合污染物吸附去除

      近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所质量与安全课题组制备了新型仿生水凝胶复合微球，解析了其二元化学污染物的识别作用机理，并成功用于环境样品和食品中混合污染物的同步吸附去除，相关研究成果以“Effective adsorption and removal of malachite green and Pb²⁺ from aqueous samples and fruit juices by pollen–inspired magnetic hydroxyapatite nanoparticles/hydrogel beads”发表于Journal of Cleaner Production上（IF=11.072 Q1）。

      水凝胶是一种含有亲水基团的三维聚合物网络吸附材料，传统水凝胶存在着化学稳定性差、机械强度和重复利用率较低等缺点，利用纳米复合材料对水凝胶进行仿生功能杂化是解决上述问题的有效途径。花粉具有天然中空的分级多孔结构，其孔沟外壁具有细密突刺和颗粒状雕纹，这些特点赋予了花粉颗粒较高的粘附性和吸附性能。羟基磷灰石（HAP）是动物骨骼的主要组成成分，常呈现出有序多孔的自组装结构，通过HAP掺杂修饰水凝胶进而模拟花粉的中空分级多孔结构和近球形貌，不仅能够增强水凝胶的稳定性、机械韧性，还可显著提升其污染物识别吸附性能。

      受牵牛花花粉颗粒突刺球形结构的启发，本研究利用钙离子和铁离子二次交联法合成了磁性HAP功能化的海藻酸钠水凝胶球，制备得到的仿生微球表面分布大量突刺并具有近球形貌。研究发现仿生水凝胶复合微球选择分离性好、化学稳定性高、可重复利用性强，对孔雀石绿（MG）和铅离子（Pb2+）均具有优异的吸附去除性能。利用静态、动态、热力学吸附模型计算深入探究了污染物在复合材料上的吸附传质过程，揭示了静态吸附符合Langmuir模型，主要由单分子吸附主导；MG动态吸附符合伪一阶模型，Pb2+符合伪二阶模型，热力学吸附属于自发吸热过程；最优实验条件下微球对MG和Pb2+的最大吸附量分别为208.06和475.50 mg/g。通过关联SEM、PXRD、FT-IR、XPS等纳米表征结果，进一步解析了温度依赖型化学吸附主导识别并显著增加吸附量和传质速率的作用机理，揭示了静电吸附、离子交换和金属络合等多重化学键协同增强污染物分子识别的互作机制。最后，该复合微球成功用于农业灌溉水和苹果、梨、橙子等果汁样品中二元混合污染物的吸附去除。本研究为仿生水凝胶的设计制备和修饰改性提供了新的研究思路，并为深入理解多孔吸附材料与化学污染物的识别互作、研发新型污染控制去除技术提供了全新的研究模式。

图1仿生水凝胶复合微球的制备流程和吸附识别原理图

图2牵牛花花粉颗粒和水凝胶复合微球的微观结构图

      中国农业科学院蔬菜花卉研究所为论文第一完成单位，蔬菜花卉所硕士研究生花雨薇和徐东辉研究员为共同第一作者，刘广洋研究员为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家大宗蔬菜产业技术体系、中国农业科学院农业科技创新工程等项目的资助和蔬菜生物育种全国重点实验室、农业农村部蔬菜质量安全控制重点实验室的支持。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652623013914