采用简单环保的工艺对工业固体废物进行高价值化利用对减少环境污染、发展绿色循环经济具有重要意义。陕西师范大学杨鹏教授团队首次报道通过淀粉样蛋白聚集介导的分子工程策略将废物颗粒转变为高价值的吸附剂，即在常温、常压、无有机试剂、水相条件下，三(2-羧乙基)膦盐酸盐通过“一步法”诱导牛血清白蛋白在固体颗粒表面发生类淀粉样聚集自组装形成相转变牛血清白蛋白膜，构筑一种高吸附量的新型吸附剂，即将工业废物（以粉煤灰为模型，典型的工业固体废物）转化为高价值的吸附剂，实际应用于电子垃圾和低品位金矿石中贵金属的高效分离回收，实现废物颗粒“变废为宝”。此外，该方法可扩展到其他传统的工业吸附剂，如树脂、粘土和氧化铝等等。相比于常见的聚多巴胺和单宁酸体系所构筑的涂层，类淀粉样蛋白质聚集自组装纳米涂层改性材料表现出优异的无色、均匀性和稳定性等优势。
吸附材料在净化、分离、催化等众多工业领域发挥着重要作用。传统的市售吸附剂（如活性炭、分子筛或树脂）在制造过程中仍然面临着巨大的成本和能耗挑战。例如，活性炭的制备需要高温碳化和活化（>500℃），导致大量能源使用（97 MJ kg−1）和二氧化碳排放（6.6 kg CO2 eq kg−1）。在降低能源消耗的发展趋势下，另一类基于生物质或微生物的吸附剂（如糖类、细菌和藻类）已经被报道。然而，吸附容量低、吸附时间长以及复杂昂贵的制造工艺等问题限制了此类材料的大规模应用，也促使研究者们从废物资源利用的角度重新评估吸附剂的生产方法。
粉煤灰是煤炭燃烧过程中产生的副产品，典型的工业固废颗粒。全球范围内，每年产生数亿吨粉煤灰，但只有25%~30%通过垃圾填埋和建筑材料生产等方法进行回收利用。近期，蚌埠学院杨庆敏博士/陕西师范大学杨鹏教授团队通过淀粉样蛋白介导的表面分子工程策略将粉煤灰转化为高效吸附剂，实现了其高值化应用，在Science China Chemistry上发表了题为“Transforming waste particles into valuable adsorbents via amyloid-mediated molecular engineering”的文章。
在该策略中，三(2-羧乙基)膦盐酸盐在温和的水相条件下诱导牛血清白蛋白快速解折叠，导致疏水基团暴露。随后，疏水力驱动蛋白质类淀粉样聚集，高能态α-螺旋构象自发转变为低能态β-折叠，最终在颗粒表面形成蛋白质膜。改性后的粉煤灰（PTB@FA）对金离子的单位面积吸附量高达297 mg g−1 m−2，是树脂的1980倍。此外PTB@FA表现出良好的细胞相容性，表明其生态友好性和在血液净化等生物医学应用中的前景。最重要的是，以商用高性能离子交换树脂的市场价格作为参考，该策略可以实现粉煤灰1.542美元的附加值提升。研究工作中进一步揭示了材料对贵金属的选择性分离机制，建立了材料对贵金属分离的微观模型，实现了低品位金矿石和电子垃圾中贵金属的高效分离。该研究为提升固体颗粒吸附性能提供了一种低成本、简单且绿色环保的表面改性方法，并有望发展成为一种将固废颗粒转化为高附加值产品的通用策略。为降低工业吸附剂制备成本、有效解决贵金属资源短缺和电子垃圾带来的环境污染问题提供了新思路，对发展循环经济、实现资源再利用具有重要意义。
论文第一作者为蚌埠学院杨庆敏博士（西北工业大学/陕西师范大学联合培养博士，2022年毕业），通讯作者为陕西师范大学赵健副教授和杨鹏教授。详见: Qingmin Yang, Jian Zhao*, Yujia Zhang, Xingyu Zhou, Hao Ren, Bowen Hu, Zhongli Lei, Lixin Chen, Peng Yang*. Transforming waste particles into valuable adsorbents via amyloid-mediated molecular engineering. Sci. China Chem., 2024, doi: 10.1007/s11426-024-2164-x
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