中国科学家在全分散微球材料及染料回收领域取得重要进展

中国科学家在全分散微球材料及染料回收领域取得重要进展

来源:中国日报网    2023-09-21 20:40
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中国日报北京9月21日电 有机染料是一种常用的色彩添加剂,被广泛应用于工业、科研和日常生活的方方面面。染料让我们的服饰、食品、日用品绚丽多彩;染料在显微镜下发光实现成像,帮助我们揭示微观世界的奥秘。有数据表明,全球有机染料的产量达到70万吨/年,其中近10-15%被排放到工业和家庭废水中,已成为水污染的重要源头,对生态环境和公众健康构成威胁。

现有染料废水的处理方法,如混凝-絮凝法、生物降解法,可以去除废水中大部分有机染料,然而这些方法依然面临染料去除不彻底、适用染料种类有限、产生的淤泥容易造成二次污染等问题。近年来,随着纳米技术、材料科技的迅猛发展,涌现出一些新兴的材料与染料废水处理技术,包括催化氧化、纳滤和多孔颗粒吸附。催化剂、膜和吸附材料在完成染料废水处理后可重复使用,然而染料的回收很少被重视。究其原因,在有机染料脱附过程中,通常在水溶液中加入含有无机酸、碱或盐的洗脱液,使有机染料的回收过程更加复杂。

近日,中国科学院理化技术研究所仿生材料与界面科学重点实验室的研究人员提出了一种全新的表面异质纳米结构化颗粒全分散策略,制备了全分散的亲水-疏水异质微球,这些微球在一系列溶剂(水、乙醇、辛烷等)中展示出全分散的优异性能,并实现了从废水中回收有机染料。

近年来,王树涛研究员团队提出了乳液界面聚合合成异质结构微球的新方法,并在其高效分离应用上取得了一系列创新性成果。发展了多种乳液界面聚合合成方法(Sci. Adv. 2017, 3, e1603203; Macromolecules 2018, 51, 1591; Macromolecules 2019, 52, 3237),制备了一系列具有不同尺寸、化学组成、孔隙、表面纳米结构的异质微球,实现了复杂生物流体中痕量糖肽的分离(Adv. Mater. 2018, 30, 1803299)、相近尺寸蛋白的分离(Adv. Mater. 2019, 31, 1900391; Small 2021, 17, 2102802)、病毒核酸分离(Small Methods 2023, DOI: 10.1002/smtd.202300531)、癌症病人外周血中痕量循环肿瘤细胞的分离(Adv. Mater. 2023, DOI: 10.1002/adma.202303821)、水中痕量微油滴的分离(Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1802493)等,构筑了色谱柱、微分离柱、微流控(ACS Nano 2019, 13, 8374)、纸色谱(Langmuir 2022, 38, 4250)等分离器件。基于这些研究成果,受邀撰写了综述文章(Mater. Chem. Front. 2017, 1, 1028; Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2113153)。

亲水-疏水异质微球表面具有交替的亲水、疏水成分,这种结构既有利于高极性溶剂(水)的铺展,又有利于中等极性溶剂(乙醇等有机溶剂)、低极性溶剂(辛烷等油性有机溶剂)的铺展。此外,在亲水区,很容易引入带电基团,这些基团能为颗粒间提供静电排斥作用,从而在不同溶剂中实现良好的分散。利用这种独特的全分散性,该团队发展了一种从含有机染料的废水中分离回收染料的策略。染料在水中被吸附到微球上,通过过滤得到净化的水与吸附了染料的微球,再将这些微球分散到有机溶剂中实现染料的脱附,通过过滤得到溶解了染料的有机溶剂,染料通过蒸馏被回收,同时微球被循环利用。

亲水-疏水异质微球为有机染料的回收提供了一类很有前景的材料。回收有机染料的过程中,只需加入有机溶剂,无需加入含有无机酸、碱或盐的洗脱液。有机溶剂很容易通过简单的蒸馏从染料中去除,避免了去除无机酸、碱和盐的复杂步骤。这类材料在环境污染物处理、资源回收利用、海洋资源富集提取、生物分子检测等复杂样品的分离分析领域具有广泛的应用前景。

研究成果以Heterostructure particles enable omnidispersible in water and oil towards organic dye recycle为题发表在Nature Communications杂志上,宋永杨研究员(中国科学院理化所)和周嘉嘉教授(华南理工大学)为论文第一作者,王树涛研究员(中国科学院理化所)为论文通讯作者。江雷研究员(中国科学院理化所)、梁鑫淼研究员(中国科学院大连化物所)、李秀玲研究员(中国科学院大连化物所)、朱忠鹏研究员(中国科学技术大学苏州高等研究院)等对该工作给予了指导和帮助。研究得到国家自然科学基金重点项目、科技部国家重点研发计划等的资助。

【责任编辑:严玉洁<Yan yujie>】
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