研究背景

        全球每年产生超过百万吨合成染料和数百万吨微塑料，二者在水环境中共存并发生协同迁移：风化微塑料表面氧化后可作为有机污染物的高效载体，加剧生态风险。传统处理方法如过滤难以截留纳米塑料与溶解态染料，而粉末吸附剂虽有效但回收困难、易造成二次污染。因此，亟需开发一种兼具高吸附容量、易回收、可同时去除颗粒态与溶解态污染物，并具备全生命周期可持续性的集成化吸附材料。

        论文概要

        近日，武汉大学邓红兵、吴洋及华中科技大学周雪研究团队在复杂水体净化材料领域取得重要突破——一种利用无交联剂冷冻组装法制备的甲壳素/活性炭（CT/AC）整体式海绵，可同时高效去除微塑料和多种染料，吸附容量最高达1177 mg/g（5 μm聚苯乙烯）和1039 mg/g（罗丹明B）。该材料通过静电与氢键作用将活性炭粉末均匀固载于甲壳素纳米纤维网络，形成大孔整体结构，可直接从水中取出，避免二次污染。更关键的是，废弃海绵可通过闪蒸焦耳热（FJH）转化为高品质石墨烯，实现从“吸附-丢弃”到闭环资源化的跨越。生命周期评估（LCA）证实其碳足迹较传统颗粒活性炭降低59%以上。这项研究为可持续、高性能、双靶点水处理吸附平台提供了可规模化的新路径。相关成果以“Dual-target, high-capacity removal of microplastics and dyes from water using a recyclable sponge monolith”为题于2026年4月12日发表在期刊《Materials Horizons》上。

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        图1 从整体架构与机制层面揭示了CT/AC海绵的设计逻辑。示意图（图1A）显示：废虾壳提取的甲壳素与活性炭粉末经冷冻干燥自组装形成整体式单块，使用后通过闪蒸焦耳热转化为石墨烯。图1B 归纳了六重协同去除机制——疏水作用、氢键、π-π堆积、静电吸引、孔填充及物理截留。雷达图对比了CT/AC与纯甲壳素、颗粒活性炭（GAC）及活性炭粉末的性能，表明CT/AC在微塑料吸附容量、染料吸附容量、可回收性、机械强度和环境稳定性上均全面领先，凸显整体式结构对粉末吸附剂局限性的突破。

        

        图2 系统展示了CT/AC海绵的无交联剂构建过程与微观结构。图2A 的冷冻组装路线中，甲壳素经酸-机械处理形成均质浆料，与活性炭混合后依靠静电和氢键自组装。图2B 照片显示活性炭在水中迅速沉降，而在甲壳素基质中可稳定分散。图2C 展示了30×50 cm2的大尺寸海绵，具备规模化潜力。光镜（图2D-E）进一步证实甲壳素对活性炭的优异分散效果。X射线显微镜（图2F）和扫描电镜（图2G-H）揭示纯甲壳素具有规整层状结构，活性炭颗粒均匀嵌入纤维网络。XPS分析（图2I）显示CT/AC中出现活性炭sp2碳的特征峰（285.78 eV），且甲壳素–NH?质子化增强（–NH??峰位从402.01 eV移至401.37 eV），证实了静电相互作用。氮气吸附测试（图2J-K）表明，CT/AC的BET比表面积从纯甲壳素的32.13 m2/g跃升至555.46 m2/g，微孔体积从0.05增至0.58 cm3/g，且等温线由I型转变为II型，说明甲壳素网络未堵塞活性炭的固有微孔，成功保留了其高比表面积特性。

        

        图3 考察了不同活性炭含量对海绵密度、吸附性能及力学稳定性的影响。图3A 显示海绵可塑造成任意字母形状。随活性炭含量从0增至0.5 wt%，密度从15.02升至21 mg/cm3（图3B）。吸附测试（图3C）表明，纯甲壳素对聚苯乙烯和刚果红吸附有限，而活性炭的引入显著提升了对罗丹明B、孔雀石绿、刚果红、亚甲基蓝、甲基橙和结晶紫等多种染料的容量，其中CT/AC?对罗丹明B、孔雀石绿、刚果红分别达到898、723和587 mg/g。压缩测试（图3D-E）显示CT/AC?的抗压强度（38.06 kPa）约为纯甲壳素（9.6 kPa）的4倍，归因于活性炭颗粒作为刚性支撑点增强纤维网络。在10% HCl、10% NaOH、3% NaCl及纯水中经过100次循环压缩（图3F-I）后，强度损失低于30%；在相应溶液中振荡1个月（图3J-K），海绵仍保持完整，质量损失小于20%，展现出优异的耐酸碱盐稳定性。

        

        图4 系统评估了CT/AC?对微塑料和染料的吸附行为。图4A 显示，对5 μm聚苯乙烯微球的吸附容量（1249 mg/g）远高于100 nm颗粒（246 mg/g），扫描电镜（图4B-C）证实较大微球被成功截留在海绵大孔网络中，说明孔尺寸匹配是主要机制。随聚苯乙烯初始浓度从100增至500 mg/L，吸附容量从341升至1231 mg/g（图4D）；三种染料也呈现类似浓度依赖性（图4E）。动力学拟合（图4F-H）表明，聚苯乙烯和孔雀石绿遵循准一级模型（物理吸附主导，如孔填充），而罗丹明B和刚果红更符合准二级模型（化学吸附主导）。颗粒内扩散模型（图4I）显示多阶段过程：聚苯乙烯后期扩散速率显著加快，反映大孔体积捕获；染料则为快速表面吸附后缓慢内部扩散。紫外灯下荧光照片（图4J及附图S7）直观显示吸附后溶液荧光几乎消失。温度升高（298→318 K）促进吸附（图4K），符合Langmuir单层吸附模型。图4L 将CT/AC?与文献中其他壳聚糖/甲壳素基材料对比，表明其在微塑料吸附容量和成本效率上均具显著优势。

        

        图5 探讨了CT/AC?在二元污染体系及实际环境干扰下的协同去除能力。图5A 显示，在罗丹明B/聚苯乙烯、孔雀石绿/聚苯乙烯、刚果红/聚苯乙烯二元体系中，聚苯乙烯的吸附容量从单体系的1231 mg/g分别降至633、422和283 mg/g，其中阴离子染料刚果红竞争最强。然而，三种染料自身的吸附容量在二元体系中基本保持不变（图5B-D），说明CT/AC?优先保障染料去除。共存物质（Na?、Mg2?、Ca2?、纳米SiO?、腐殖酸）对聚苯乙烯吸附有不同程度抑制，但染料吸附整体稳定（图5A底部及附图S10）。pH变化（3–11）对聚苯乙烯吸附略有影响（随pH升高下降），而三种染料在整个pH范围内保持高容量（图5E）。盐浓度增加（0.0001%→1%）显著抑制聚苯乙烯吸附（静电屏蔽），但对罗丹明B和孔雀石绿影响小，反而促进刚果红吸附（图5F）。CT/AC?对聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚甲基丙烯酸甲酯等常见微塑料的吸附容量为291–578 mg/g（图5G）。DFT计算（图5H）显示，对聚苯乙烯-罗丹明B体系以静电和π-π作用为主，聚苯乙烯-孔雀石绿以π-π为主，聚苯乙烯-刚果红则以静电为主。在固定床动态流动装置中（图5I-J），CT/AC?对20 ppm二元污染物的去除率超过95%，验证了实际水处理可行性。

        

        图6 通过生命周期评估（LCA）和废海绵升级再造，验证了CT/AC?的可持续性。图6A 示意了从原料提取到海绵制备再到末端闪蒸焦耳热（FJH）转化为石墨烯的全流程。以处理1 kg微塑料为功能单元，CT/AC?所需吸附剂质量远小于颗粒活性炭（GAC），其单位质量吸附容量约为GAC的400倍（染料为60–200倍）（图6B-C）。LCA对比（图6D）显示，CT/AC?在全部18项环境影响指标中均优于GAC，其中全球变暖潜能值降低59%，化石资源稀缺性降低68%，陆地酸化潜能降低72%，细颗粒物形成潜能降低68%。处理10吨微塑料废水时，CT/AC?总成本低于GAC（图6E）。若采用可再生能源生产，每千克CT/AC?的CO?足迹可从331降至14.2 kg CO? eq（图6F）。废海绵经FJH处理后，产物呈现典型石墨烯形貌：透射电镜（图6H）显示薄片状褶皱；XRD（图6I）出现尖锐的(002)衍射峰；拉曼光谱（图6J）中I_D/I_G比低至0.29，I_2D/I_G比为1.35，且2D峰尖锐，证明获得了少层、高结晶度石墨烯。这实现了从“吸附-丢弃”到闭环资源化的范式转变。

        总结&展望

        总之，本研究提出一种整体式甲壳素/活性炭海绵的构建策略：通过无交联剂冷冻组装，将活性炭粉末均匀固载于甲壳素纳米纤维网络中，形成兼具大孔结构和丰富微孔的集成吸附平台。其多重协同机制——疏水作用、氢键、π-π堆积、静电吸引、孔填充及物理截留——使其能够同时高效去除带负电微塑料及多种电荷性质的染料，即使在复杂水基质（高盐、宽pH、腐殖酸、纳米颗粒干扰）中仍保持优异性能。CT/AC?对5 μm聚苯乙烯微塑料的吸附容量达1177 mg/g，对罗丹明B、孔雀石绿、刚果红分别为1039、911、734 mg/g，远超传统颗粒活性炭和已报道的甲壳素/壳聚糖基材料。整体式结构赋予其直接回收、无二次释放的实用优势，100次循环压缩及1个月化学浸泡后仍保持结构完整。生命周期评估证实其低碳足迹与成本效益，而废海绵通过闪蒸焦耳热转化为高质量石墨烯，实现末端价值化闭环。未来可探索该平台对其他新兴污染物（如抗生素、全氟化合物）的协同去除，并优化闪蒸焦耳热工艺以提升石墨烯产率与品质，推动其向工业化水处理应用迈进。