利用生物启发的聚合物封存重金属：含碳水化合物的前景

来自 实验室仪器网

最近研究人员发表的一篇文章介绍了一种含有碳水化合物的仿生聚合物系统，可以高效、选择性地去除重金属。研究人员利用开环复分解聚合合成了具有两亲性葡萄糖醛酸侧链的聚合物。

洁净饮用水对公共卫生、农业、工业和环境可持续性至关重要。然而，污染物，特别是重金属离子，严重威胁着水质和人类健康。

目前工业上用于去除这些污染物的方法包括化学沉淀、吸附和膜过滤，但存在效率低、能耗高、再生复杂和产生有毒污泥等缺点。因此，需要新的水净化方法。

碳水化合物具有很强的吸附能力、再生潜力和生物相容性，是去除重金属的理想选择。尽管多糖水凝胶已显示出良好的前景，但它们通常缺乏机械强度，并且会增加水的硬度。

因此，本研究的重点是开发一种受生物启发的、含碳水化合物的聚合物，这种聚合物与重金属结合后会迅速沉淀。

所提出的重金属螯合系统基于葡萄糖醛酸，利用电荷切换在捕获重金属时形成可过滤的沉淀物。利用开环复分解聚合(ROMP)合成具有疏水性聚（降冰片烯）骨架的聚合物，以提高阳离子去除效率。

通过1H核磁共振(NMR)光谱评估了不同单体（葡萄糖基类似物(mono-C4-Glc)、葡萄糖醛酸衍生物(mono-C4-GlcA)和甲基保护的羧酸盐(mono-C4-GlcA-Me)）的聚合能力。

随后，通过ROMP合成了三种不同的聚合物：一种来自葡萄糖(C4-Glc)，一种来自葡萄糖醛酸(C4-GlcA)，以及葡萄糖醛酸和葡萄糖(1:1)的50:50共聚物。它们的性能与商用透明质酸(HA)进行了比较。

所有聚合物均通过多角度光散射尺寸排阻色谱法（SEC-MALS）进行表征，以确定聚合度和分散度。

聚合物分析后，使用氢氧化锂去除C4-GlcA-Me中的甲基，得到完全脱保护的聚合物。然后测量所有聚合物的电位，以评估其在中性水溶液中的电荷密度和胶体分散稳定性。

最初使用基于4-(2-吡啶偶氮)间苯二酚(PAR)的比色法评估了C4-GlcA结合二价重金属阳离子的能力。此外，还采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)定量评估合成聚合物的阳离子结合能力。

最后，通过来自德克萨斯州奥斯汀的科罗拉多河的加标水样证明了所提出的系统的有效性。

电位测量揭示了中性溶液中的胶体分散稳定性和合成聚合物的电荷密度。虽然C4-Glc具有几乎中性的电位，但所有带电聚合物（1:1、HA和C4-GlcA）都显示出明显负的电位。值得注意的是，C4-GlcA经历了电荷转换，质子化状态也发生了变化。

透射电子显微镜验证了C4-GlcA的纳米颗粒行为及其在没有Cd2+离子的情况下在水中的完全溶解性，代表了其在溶液中捕获离子的理想状态。或者，将Cd2+(100μM)添加到C4-GlcA(1.0mg/mL)溶液中会导致大聚集体沉淀，表明C4-GlcA具有出色的结合和捕获潜力。

在PAR比色染料的初始吸收测试中，C4-GlcA有效地从溶液中去除了大多数金属，而C4-Glc则没有。1:1聚合物和HA表现出相似的Cd2+去除能力，但效果明显低于C4-GlcA，这表明增加电荷密度对于最佳重金属去除至关重要。

在使用至少含有5μMK+、40μMNa+和3μMC​​a2+的溶液进行ICP-MS测量时，C4-GlcA对几种二价离子表现出极高的结合亲和力，包括Mn2+、Cu2+、Cd2+、Ni2+、Zn2+、Ba2+和Pb2+。每种测试溶液中超过96%的阳离子被去除，其中Cd2+的封存率最高（99.84%）。

此外，C4-GlcA对铁离子(Fe3+)表现出优异的结合效率，去除率达99.36%。此外，C4-GlcA还能够高效隔离科罗拉多河加标水样中的Pb2+、Cd2+和Ca2+，且不会增加水的硬度。

研究人员成功合成了受生物启发的含碳水化合物聚合物，这些聚合物在从水介质中捕获大量Cd2+、Pb2+和其他重金属方面表现出高效率和高选择性。即使聚合物浓度和聚合度参数未优化，这些聚合物系统也表现出良好的性能。

C4-GlcA系统仅需三分钟的接触时间即可实现超过99%的去除效率。此外，其pH响应特性使其易于再生和重复使用，从而能够通过pH调节实现重金属的可逆捕获和释放。这种方法有助于减少水净化过程中的能耗和化学污泥产生，而不会增加水的硬度。

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