基于丙烯酸/丙烯腈功能化的Gg基水凝胶的优化：用于环保、经济高效地去除重金属离子

《Process Safety and Environmental Protection》：Optimization of Acrylic Acid/Acrylonitrile functionalized Gg-based Hydrogel for Synthesis Eco-friendly, Cost-effective and Efficient Removal of Heavy Metal Ions

本研究通过优化丙烯酸（AA）与丙烯腈（AN）比例，制备了天然多糖Gg基丙烯酸-丙烯腈共聚交联水凝胶（GgPAAN），并采用FTIR、TGA、SEM等手段表征其结构性能。结果表明GgPAAN@3水凝胶在去离子水中的膨胀率达290.3 g/g，对Cu2?和Co2?的吸附容量分别为529 mg/g和499 mg/g，吸附过程符合Langmuir等温模型及伪二阶动力学模型，且具有优异循环稳定性。同时证实该水凝胶对重金属的吸附机制为配位-静电作用结合，经三次吸附-脱附循环后仍保持82%以上的吸附效率。实验还发现处理后的水体显著促进黑豆种子发芽及根系生长，验证了其环境友好性。

　　

普拉文·库马尔（Praveen Kumar）|普尔恩·普拉卡什·潘德（Poorn Prakash Pande）|普拉蒂克·卡雷（Prateek Khare）|拉维·尚卡尔（Ravi Shankar）|阿尔宾德·乔拉西亚（Arbind Chaurasiya）|萨克希·辛格（Sakshi Singh）|南迪塔·库什瓦哈（Nandita Kushwaha）

印度北方邦戈勒克布尔（Gorakhpur）M.M.M.技术大学化学与环境科学系（邮编273010）

摘要

本研究通过优化丙烯酸（AA）与丙烯腈（AN）的比例，成功制备了有效的接枝共聚物水凝胶（GCH）。制备了三种不同等级的水凝胶GgPAAN@1、GgPAAN@2和GgPAAN@3，并通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、热重分析（TGA）、零电荷点测定、场发射扫描电子显微镜（SEM）以及能量色散X射线光谱（XPS）和X射线光电子能谱（XPS）对其进行了表征。研究了这些水凝胶的膨胀性能和保水能力。其中，GgPAAN@3在蒸馏水中的膨胀能力（290.3 mg/g）和保水率（66.11%）最为优异。在优化条件下，系统研究了这些水凝胶对Cu2?和Co2?离子的吸附性能。结果表明，GgPAAN@1、GgPAAN@2和GgPAAN@3对Cu2?的最大吸附容量分别为481 mg/g、495 mg/g和529 mg/g，对Co2?的最大吸附容量分别为465 mg/g、486 mg/g和499 mg/g。吸附数据符合朗缪尔吸附等温线，吸附动力学遵循伪二级反应模型，其速率常数分别为3.38×10?? g/(mg·min)和3.73×10?? g/(mg·min)。经过三次吸附-脱附循环后，GgPAAN GCH仍能保持良好的吸附效率。XPS分析进一步证实了其吸附机制。此外，使用黑豆（black gram）进行的种子发芽实验表明，与未经处理的水或自来水相比，GCH处理的水显著促进了根系、茎部和叶部的生长。成本分析和植物生长结果表明，这种合成的GgPAAN GCH水凝胶具有环保和可持续的应用前景。

引言

随着重金属离子污染水源，河流、地下水和废水等不同来源的水质正在恶化。水体中重金属离子含量的增加严重威胁着公共健康和生态系统。即使水中微量的Cu、Co、Fe、Ni也会对环境和人类健康产生显著影响（Yang等人，2025年；Briffa等人，2020年；Patel等人，2025年；Qadri等人，2025年）。这些有毒金属可通过水体进入人类食物链，对人类和水生生态造成影响。大量食用海产品（海洋动物）会增加患肾脏和肺部疾病的风险（Mitra等人，2022年）。水中Co2?和Cu2?离子的主要来源包括金属电镀工业（0.05 ppm，Goyer，1997年；Ding等人，2016年）、电池制造（0.05 ppm，Ding等人）以及制革业（0.05 ppm，Goyer，1997年）和油漆工业（0.3 ppm，Mittal等人，2015a；Mittal等人，2015b）。尽管钴（Co）作为维生素B??的组成部分对大脑和神经系统至关重要，但过量摄入或缺乏会导致甲状腺肿大和心血管疾病（Goyer，1997年；Ghorai等人，2012年；Schneegurt等人，2001年；Shahat等人，2015年）。传统的重金属去除技术（如膜过滤、化学沉淀和离子交换）存在诸多缺点，包括成本高昂、产生二次污染物以及在处理高浓度污染物时效果不佳（Kumar等人，2025年）。因此，吸附成为去除重金属离子的更优选择。在现有的吸附剂中，具有三维多孔结构的高级材料（如水凝胶）具有较高的保水能力和易于发挥螯合作用的官能团，有助于结合重金属离子。总体而言，接枝共聚物水凝胶（GCH）在去除重金属方面展现出巨大潜力。这类材料尤其受到关注，因为它们可以通过简单的机械操作轻松分离（Hussain和Maktedar，2023年）。 gum ghatti（Gg）是一种天然多糖，以其生物降解性和生物相容性而闻名，可作为可持续的基底材料。基于Gg的水凝胶和接枝共聚物水凝胶（如Gg-cl-poly(NIPA-co-AA)（Dave等人，2023年）、Gg-cl-P(AAm-co-MAA）、Gg-co-poly(AA-ANI)（Sharma等人，2016年）、Gg-g-poly(MAA-IPN-ANI)（Sharma等人，2015年）、GrA-cl-poly(AAm)（Jindal等人，2018年）、Gg-cl-poly(AA-IPN-aniline)（Sharma等人，2014年）、gum ghatti poly(acrylamide-co-acrylonitrile)（Mittal等人，2014年；Mittal等人，2015a；Mittal等人，2015b）以及Gg-cl-PAAM（Mittal等人，2018年）已被用于去除废水中的有机和无机杂质。通过改变反应条件，可以利用Gg的天然官能团增强吸附性能。将丙烯腈（AN）等活性成分引入水凝胶中具有优势，因为AN含有强吸电子的CN基团，可在水凝胶上形成电子缺乏环境。丙烯腈是一种适应性强的试剂，能与乙烯基单体共聚。此外，基于AN的共聚物具有较高的热稳定性，因此广泛应用于纺织纤维、碳纤维前体、粘合剂等领域（Thomas）。丙烯酸（AA）也是常用单体，其羧酸基团有助于提高水凝胶的吸水能力。AA的官能化可在酸性介质或碱性条件下进行，也可在高温和光照条件下与铁盐、自由基及过氧化物复合物共同作用下实现（Sennakesavan等人，2020年）。总体而言，AA和AN的官能化可向水凝胶基质中引入羧基（-COOH）和腈基（-CN），通过螯合作用和静电相互作用显著提升其吸附效率。这些改性不仅增强了水凝胶对重金属的亲和力，还提高了其热稳定性和重复使用性。与丙烯酰胺、丙烯酸和苯胺衍生物的共聚和交联进一步优化了基于gum ghatti的材料性能，使其具备优异的吸水能力、机械强度和环境响应性。然而，关于基于丙烯酰胺、丙烯酸和苯胺衍生物的水凝胶的研究在文献中较为罕见。 本研究制备了经过AA和AN改性的Gg水凝胶吸附剂，并对其进行了表征和废水处理应用研究。使用FT-IR、TGA、PZC、SEM、EDAX和XPS对其进行了分析。随后探讨了GgPAAN GCH对合成废水中Cu2?和Cu2?的吸附能力，并将其吸附性能与同类水凝胶进行了比较。还分析了GgPAAN GCH对黑豆生长影响的实验结果，发现其在三种不同水质（自来水、含Cu2?和Co2?的合成水及其处理后的出水）中的积极作用。

材料与试剂

所用化学品包括天然多糖gum ghatti（Gg）、氢氧化钠（NaOH）、丙烯酸（CH?=CH-COOH）、丙烯腈（CH?=CH-CN）（作为功能化单体，使用二乙醚（CH?CH?OCH?CH?）和乙醇（CH?CH?OH）作为溶剂）。黑豆（Vigna mungo）种子、五水合硫酸铜（CuSO?·5H?O）和六水合氯化钴（CoCl?·6H?O）、分析级MBA（N,N'-methylenebisacrylamide）均购自印度孟买的S.D.F.C公司。Cu2?的标准用量已确定。

FT-IR分析

图2(a)显示了gum ghatti的FT-IR光谱：3408 cm?1处的宽峰归因于碳水化合物中的-OH（-CH?OH）伸缩振动，2926 cm?1处的小峰归因于-CH?的不对称伸缩振动；1403 cm?1处的峰与碳水化合物中的-CH和-CH?弯曲平面相关；1017 cm?1处的特征峰归因于C-O伸缩振动（Kaith等人，2012年）。对于GgPAAN GCH，其FT-IR光谱也有类似特征。

工艺参数优化

通过不同批次吸附实验，优化了剂量（7(a)和(a1)）、溶液pH值（7(b)和(b1)以及处理时间（7(c)和(c1)等工艺参数，以去除Cu2?和Co2?。如图7(a)和(a1)所示，剂量为120 mg时，60 ml样品体积中Cu2?和Co2?的去除效果最佳（金属浓度分别为1000 mg/L）。在所有GCH等级中，GgPAAN@3对Cu2?和Co2?的去除效果最佳。

结论

研究表明，由gum ghatti、丙烯酸（AA）和丙烯腈（AN）制备的共聚物水凝胶（GgPAAN@3）在优化AA与AN比例后表现出优异的金属吸附性能。在多离子环境中，GgPAAN@3水凝胶表现良好；而在单离子环境中，其吸附行为符合朗缪尔吸附等温线，最大吸附容量分别为529 mg/g（Cu2?）和499 mg/g（Co2?）。XPS和FT-IR结果证实了其交联和金属吸附机制。

CRediT作者贡献声明

普拉文·库马尔（Praveen Kumar）：负责撰写初稿、数据可视化、验证、软件应用、数据分析、概念构建。 普尔恩·普拉卡什·潘德（Poorn Prakash Pande）：负责审稿与编辑、数据可视化、验证、资源协调、方法论设计、实验实施及资金申请。 阿尔宾德·乔拉西亚（Arbind Chaurasiya）：负责数据验证、方法论设计、数据分析、概念构建。 萨克希·辛格（Sakshi Singh）：负责数据可视化、验证、数据分析。 普拉蒂克·卡雷（Prateek Khare）：负责审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。本研究题为“环保且经济高效的丙烯酸/丙烯腈gum水凝胶用于高效去除重金属离子”。作者声明以下财务利益或个人关系可能被视为潜在的利益冲突。

致谢

普拉蒂克·卡雷博士（Prateek Khare）和拉维·尚卡尔博士（Ravi Shankar）感谢Anusandhan国家研究基金会（ANRF）通过“加速创新与研究合作计划（PAIR）”与IIT(ISM) Dhanbad/MMMUT Gorakhpur的合作项目提供的资金支持，该项目旨在开发用于关键矿产勘探和智能/可持续采矿的创新尖端技术，批准编号为ANRF/PAIR/2025/000027/PAIR-B。