综述：用于废水处理的有机硅改性功能材料：最新进展、作用机理及未来展望

《Progress in Natural Science: Materials International》：Organosilicon-modified functional materials for wastewater remediation: Recent advances, mechanisms, and future perspectives

有机硅改性材料因独特的化学稳定性与表面可修饰性，在废水处理中展现出高效吸附性能，如氨基改性SBA-15对Cr(VI)吸附达330.8 mg/g，硫醇基石墨烯氧化物对Hg吸附达320.1 mg/g。研究系统分析了硅基复合材料、金属氧化物复合材料、碳基材料及有机硅聚合物等体系的制备方法与吸附机制，但环境安全性、规模化生产及再生效率仍是亟待解决的关键问题。

　　

库拉姆·谢赫扎德（Khurram Shehzad）| 琼燕（Yanyan Qin）| 马琳（Lin Ma）| 王志恒（Zhiheng Wang）| 黄恒亮（Hengliang Huang）| 杨倩（Qian Yang）| 熊双莲（Shuanglian Xiong）| 曹梦华（Menghua Cao）| 塔旭新（Shuxin Tu）

华中农业大学资源与环境学院，武汉，430070，中国

摘要

有机硅化合物因其独特的≡Si–H和≡Si–C键而受到广泛关注，由于它们具有有机-无机杂化性质、优异的化学稳定性和表面改性能力，在环境修复领域具有显著的应用潜力。本文综述了有机硅改性材料在废水处理方面的最新进展。通过使用硅烷偶联剂进行功能化处理，开发出了高效吸附剂，包括基于二氧化硅的材料、金属氧化物、粘土矿物、碳基材料和聚合物复合材料。例如，用氨基硅烷和巯基功能化的二氧化硅吸附剂（如SBA-15和MCM-41）对Cr(VI)的吸附能力高达330.8 mg g^?1，对Cd(II)的吸附能力高达305.6 mg g^?1；同样，巯基功能化的氧化石墨烯对汞的吸附能力可达320.1 mg g^?1。用氨基硅烷功能化的金属氧化物复合材料（如Fe₃O₄@SiO₂）对Pt(IV)的吸附能力可达380 mg g^?1。此外，基于聚硅氧烷和有机硅的絮凝剂也表现出更高的污染物去除效率和更好的混凝性能。尽管取得了这些进展，但在环境安全性、大规模生产和再生效率方面仍存在挑战。本文批判性地分析了当前的趋势、材料性能及其作用机制，为未来有机硅改性材料在可持续废水处理中的实际应用提供了研究方向。

引言

有机硅化合物，也称为硅树脂，是一类独特的杂化材料，其特征是含有硅-碳（Si–C）键。这些化合物通常通过二氧化硅（SiO₂）与单氯甲烷的反应合成（如图1所示）。从结构上看，有机硅材料大致可分为两类：（i）低分子量的单体，如有机卤硅烷和硅烷偶联剂，它们在工业过程中作为关键中间体；（ii）高分子量的聚合物，包括聚硅氧烷、聚硅烷及其共聚物。这些聚合物形式通常以硅油、硅橡胶和硅树脂的形式存在，每种形式都表现出不同的物理化学性质[1]。 有机硅材料的独特优势在于其有机-无机杂化特性。这种独特的结构赋予了它们稳定性和化学灵活性，使有机硅化合物能够与多种化学物质有效相互作用。它们的内在性质，如热稳定性和氧化稳定性、优异的介电性能、抗紫外线辐射和极端温度的能力以及化学惰性，使其优于许多传统的有机或无机材料。因此，它们被誉为“工业维生素”或“高科技发展的催化剂”，在电子、航空航天、生物医学和农业等多个领域产生了深远影响[2]。 随着人口的快速增长和技术的不断进步，自然环境面临着严重的退化。因此，保护水资源、防止空气污染和修复受污染的土壤变得至关重要[3,4]。有机硅材料因其独特的物理化学性质和可改性性，在环境保护领域受到了广泛关注。例如： - 在废水处理中，有机硅改性材料表现出更好的物理化学性质，从而提高了净化过程的效率[5]； - 氨基硅烷功能化的固体吸附剂显著提高了二氧化碳的捕获效率，为温室气体减排提供了有前景的解决方案[6]； - 有机硅改性的土壤改良剂降低了农业土壤中镉的生物可利用性，抑制了作物对镉的吸收，防止其转移到可食用部分，从而减少了食品中的镉积累[7]； - 在污泥和沉积物处理中，含有季铵基团的有机硅改性无机絮凝剂能有效去除细胞外聚合物结合的水分，提高了脱水效率[8]。 尽管兴趣日益增加，但目前关于有机硅材料在环境修复应用方面的综合研究仍较为缺乏。本文旨在批判性地评估有机硅改性材料在环境修复方面的最新进展，重点关注废水处理应用。我们系统地分类和分析了主要材料平台，包括基于二氧化硅的复合材料、有机硅-金属氧化物杂化物、碳基-有机硅材料和功能性聚合物硅树脂，重点介绍了它们的制备方法、污染物去除机制和操作性能。此外，我们还评估了环境安全性、可扩展性和经济可行性等关键实际问题。然而，多功能硅烷的广泛应用必须权衡其较高的合成成本以及生产对水分敏感的多步骤有机硅前体所带来的技术挑战。通过阐述当前的趋势、局限性和新兴创新，本文旨在为未来基于有机硅的环境材料研究和技术创新提供概念基础。虽然主要关注有机硅改性功能材料及其修复策略，但理解有机硅物种的稳定性和潜在环境影响也是一个重要的补充研究方向。

基于二氧化硅的材料用于水净化

在水净化技术中，吸附方法因其操作简单、成本效益高以及各种吸附剂的广泛可用性而备受青睐[9]。然而，传统吸附剂存在吸附容量低、动力学慢和选择性差等固有局限性。为克服这些挑战，将有机硅化合物引入吸附剂设计已成为一种非常有效的方法。

基于金属氧化物的材料用于水修复

基于金属氧化物的纳米材料在废水处理中具有多种功能，包括光催化、吸附和基于氧化还原的污染物降解。使用硅烷偶联剂进行表面改性可以提高它们的物理化学稳定性、吸附选择性和重复使用性。

基于碳的吸附剂

基于碳的材料，如有序介孔碳（OMCs）、氧化石墨烯和生物炭，由于其丰富的含氧官能团和大表面积，是高效的吸附剂[95,96]。通过用氨基丙基三甲氧基硅烷（APTMS）和（3-氨基丙基）三乙氧基硅烷（APTES）对OMCs进行氨基功能化，以及用（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷（MPTS）对氧化石墨烯和生物炭进行巯基功能化，可以进一步提高它们的吸附能力。

有机材料用于废水修复

有机材料，特别是合成和生物聚合物基吸附剂，由于其可调的表面化学性质、高功能性和环境兼容性，已成为有效的废水处理工具。

高度交联的聚硅氧烷吸附剂

聚硅氧烷材料源自具有Si–O–Si骨架和有机侧链的硅氧烷树脂，具有优异的热稳定性、化学稳定性和机械稳定性。它们在恶劣介质中的抗膨胀、抗氧化和抗降解能力使其成为开发先进废水处理吸附剂的有希望的平台[119]。

聚Al(Fe)-有机硅絮凝剂

聚合物Al(Fe)-硅酸盐絮凝剂是一类有前景的无机-有机杂化材料，在去除浊度、藻类、油类、总磷酸盐和化学需氧量（COD）方面优于传统的Al(Fe)-聚合物[129]。然而，负电荷的硅酸盐可能会阻碍电荷中和并降低絮凝剂的稳定性。为解决这一问题，使用硅烷偶联剂将硅酸盐与Al(Fe)物种共价结合，从而增强聚合效果。

有机硅改性平台间的吸附能力比较评估

对有机硅改性吸附剂平台的比较评估显示，吸附性能存在显著差异，这取决于官能团化学性质、配体密度和基底结构的差异。含有氨基、尿素、巯基、SCN、膦酸、氨基乙酸、咪唑或混合有机硅烷的基于二氧化硅的吸附剂对多种重金属和有机污染物表现出强烈的结合亲和力。

结论

本文全面总结了有机硅改性材料在废水处理方面的最新进展，涵盖了基于二氧化硅的复合材料、金属氧化物、粘土矿物和聚合物系统。有机硅化合物独特的有机-无机杂化性质显著提高了各种吸附剂的吸附能力、选择性和稳定性。此外，通过硅烷偶联剂进行的功能化引入了多种功能。

CRediT作者贡献声明

库拉姆·谢赫扎德（Khurram Shehzad）：撰写初稿、软件处理、数据整理、概念构思。 琼燕（Yanyan Qin）：撰写与编辑、可视化处理、软件应用。 马琳（Lin Ma）：撰写与编辑、监督工作、实验研究、概念构思。 王志恒（Zhiheng Wang）：撰写与编辑、软件应用、数据分析。 黄恒亮（Hengliang Huang）：撰写与编辑、可视化处理、软件应用。 杨倩（Qian Yang）：撰写与编辑、可视化处理、监督工作、实验研究。 熊双莲（Shuanglian Xiong）：撰写与...

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：42277392）和中国国家重点研发计划（项目编号：2018YFC1800305）的支持。