【文献解读】CEJ: 纤维素基超支化吸附材料的结构设计及其对水中Cr(VI)的快速高效去除

近期，广西大学王双飞、朱红祥、何辉课题组报道了一种具有高氨基密度的纤维素基超支化吸附材料，通过在纤维素表面构筑高氨基密度和超支化结构，实现了对Cr(VI)的快速高效去除。通过结构设计，该文以微晶纤维素（MCC）为基体，采用固液一步快速转化策略，设计并制备了具有高氨基密度和超支化聚胺结构的纤维素基吸附材料，通过协同调控材料的支化结构和氨基密度并探究了端氨基超支化聚胺支化度来调控材料对Cr(VI)的吸附速率和吸附性能去除率的影响，进而实现该纤维基吸附材料可以对水中各种浓度Cr(VI)的快速高效去除。

相关成果以“Structural Design of a Cellulose-based Hyperbranched Adsorbent for the Rapid and Complete Removal of Cr(VI) from Water”为题发表在国际化学工程权威杂志Chemical Engineering Journal（doi.org/10.1016/j.cej.2020.128037 ）上，论文的第一作者为广西大学的在读博士生薛飞。

作者通过结构调控，制备了三种不同支化度的端氨基超支化聚胺，利用EA、¹³C-NMR和FTIR-ATR等方法对其组成和结构进行表征，通过计算得到三种端氨基超支化聚胺的支化度分别为：0.68、0.75、0.88。

采用XPS对材料的表面官能基团的类型和含量进行了表征，实验结果表明：纤维素基超支化吸附材料的表面含有大量的伯氨、仲氨、叔氨，其总氨基密度为：10.63 mmol/g（元素分析结果），表明该材料是一种高氨基密度的纤维素基超支化吸附材料。

通过一步快速交联技术，制备了三种具有不同支化度的纤维素基超支化吸附材料，并对其吸附性能进行了测试，实验结果表明：吸附材料对重金属离子选择性吸附顺序为：Cr(VI)>Cu(II)>Cd(II)>Mn(II)，说明三种吸附材料均对Cr(VI)具有良好的选择性吸附能力，且随着引入的超支化聚胺支化度的增加，材料的对Cr(VI)的吸附容量呈上升趋势，吸附速率也随之加快。

吸附速率是衡量材料对Cr(VI)吸附性能的重要指标。当采用支化度最高的吸附材料（MCC/HBPA-0.88）处理初始浓度为1.02 mg/L的Cr(VI)废水时，处理1 min后，溶液中残余Cr(VI)浓度即符合国家饮用水安全标准对Cr(VI)浓度的要求（小于0.05 mg/L）；处理2 min后，溶液中未检出Cr(VI)（ICP-OES的检测下限为0.001 mg/L）。实验结果表明纤维素基超支化吸附材料对低浓度Cr(VI)具有快速高效的去除能力。同时，该材料还具有良好的循环再生性能。

总结：

本研究通过一步快速交联策略制备了具有高氨基密度的纤维素基超支化吸附材料，实现了2 min内对水中低浓度Cr(VI)的快速高效去除，处理后，溶液中未检出Cr(VI)。基于木质纤维的非均相反应体系，一步快速交联的策略提高了反应体系中功能试剂的转化率，为材料的结构设计提供了便捷的途径。同时，该研究也表明可通过提高纤维素基吸附材料的功能基团密度和重金属离子在材料内的扩散传质效率，来提高材料对水体中低浓度Cr(VI)的去除率和吸附速率。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720341553?via%3Dihub