近日，清华大学环境学院张龄月博士为第一作者、岳东北教授为通讯作者的研究成果以“Mechanistic insights into the removal of surfactant-like contaminants on mesoporous polydopamine nanospheres from complex wastewater matrices”为题，发表在环境科学领域期刊Environmental Science & Technology。研究采用软模板法制备介孔纳米球，实现了在复杂渗滤液环境水体中表面活性微污染物的高效去除。值得注意的是，该研究基于低场核磁技术，以水分子为探针，定量表征了纳米材料表面的亲疏水特性，解决了颗粒状纳米材料表面性能研究的关键问题。
引言
表面活性污染物（SLCs）具有亲水性和疏水性的双重特性。由于其有害的直接和间接环境影响，SLCs已成为废水处理领域广泛研究的污染组分。2009年全氟辛烷磺酸（PFOS）被归类为持久性有机污染物后，在实际污染水体中高效去除SLCs更受到广泛关注。然而，SLCs的去除机制未能全面阐明，显著的竞争效应使得已报道的吸附材料对SLCs的去除效率仍有待提高。另外，尽管低场核磁共振（LF-NMR）在之前的研究中被认为是量化亲水性能的潜在方法，但由于纳米孔道对分子探针分布的重要影响，仍需要进一步研究其对多孔纳米颗粒的表征方法和机制。
本研究提出了一种使用软模板法制备介孔聚多巴胺纳米球（MPDA）的新方法，并以水分子为探针测量横向弛豫时间（T2），采用LF-NMR表征了MPDA的表面亲疏水特性以及多孔形貌的影响机制。通过体系等电点调控和相似化学结构SLCs的横向对比，研究阐明了MPDA在复杂基质废水中去除SLCs的相互作用机制，为实际水体中SLCs的高效去除提供了理论依据。
图文导读
研究采用软模板法成功制备了MPDA，孔径分布结果表明，相比于传统聚多巴胺纳米材料，MPDA具有介孔结构且直径< 30 nm。通过对反应条件的定向调控，研究实现了对MPDA纳米颗粒直径的稳定控制。
图1 介孔聚多巴胺纳米球制备及结构表征
依据吸附前后XPS和FTIR表征结果，SLCs在材料表面主要以物理吸附为主，吸附后MPDA表面特征峰与SLCs保持一致。在等Zeta电位点pH值条件下，MPDA对SLCs呈现出显著的选择性吸附性能，在平衡吸附容量方面明显高于传统多巴胺纳米球。此外，MPDA对LAS的吸附能力高于PFOS和SDLS，与SLCs的logP值大小一致，这表明疏水性相互作用在SLCs吸附中具有重要影响。为了验证这一假设，我们采用LF-NMR以水分子为探针定量表征吸附材料的表面亲水特性。根据LF-NMR衰减曲线和计算的T2弛豫时间，吸附材料的表面亲水性顺序为：PDA>SPDA>MPDA。多组分反演结果表明，MPDA的非自由水主要集中在表面的介孔和颗粒之间的纳米孔中，表明其亲水性相对较弱，水分子主要通过毛细作用聚集在其表面。
图2 SLCs去除机制解析
根据机制解析结果，研究开发了基于乙醇洗脱的材料重复利用和实际水体应用策略，MPDA在5次重复利用测试中呈现稳定的SLCs吸附和脱附性能。同时MPDA对背景污染物浓度极高的生活垃圾渗滤液废水中的阴离子、阳离子和非离子SLCs均具有较高的选择性去除能力。
图3 MPDA循环和实际水体中对SLCs去除效果
小结
作者简介
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c06733
投稿：清华大学岳东北教授课题组。投稿、合作、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领域最大的学术公号，拥有20W+活跃读者。由于微信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为星标，或每次看完后点击页面下端的“在看”，这样可以第一时间收到我们每日的推文！环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。
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