水是人类和其他生物体最重要的物质。然而,一些有害化合物会造成水体污染,不仅对生活在水中的物种产生影响,而且对更广泛的生物群落产生负面影响。重金属离子、有机染料、放射性废物、农药等是水中发现的主要污染物,严重污染环境并影响人类健康。因此,研究和应用各种方法从水中去除这些污染物对于保护环境是很有必要的。目前,研究者采用不同的工艺和技术组合进行废水处理,如化学沉淀法、电化学法生物法、膜分离法、吸附法等,但是上述废水处理方法无论是从处理效果还是其操作成本都有各自的优势和缺陷。相比较而言,吸附法具有工艺简单、处理效率高、不易造成二次污染等优点,是常用的废水处理方法。吸附法是利用多孔性固态物质吸附去除水中污染物的一种有效方法.其关键技术是吸附剂的选择.传统吸附剂如活性炭、煤灰、生物质基材料等有很强吸附能力,去除率高,但再生效率低.处理水质很难达到回用要求,价格贵,应用受到限制。近年来,水凝胶作为一种高效吸附剂应用于工业废水处理中,并展现出广阔的实际应用前景水凝胶是一种具有三维网络结构的聚合物,可以通过一种或多种单体之间的反应合成。水凝胶的三维网络和多孔结构通常赋予它们高亲水性和吸附大量水或生物体液的能力。水凝胶经过改性后可具备优异的吸附性能.良好的重复使用性能,不会造成二次污染,处理成本低等优势.是废水处理领域的研究热点。本文主要综述了近几年来不同类型的水凝胶在废水处理领域的应用进展,为后续科研人员提供参考。

一、合成高分子水凝胶

合成高分子水凝胶主要是烯类单体如丙烯酸、丙烯酰胺及其衍生物为主要原料制备的均聚物或者共聚物。这类水凝胶在制备过程中大多是单体通过化学交联形成具有稳定三维网络结构的聚合物,大分子链上往往含有羚基、磺酸基、经基等吸附基团。因此,此类水凝胶一般具有较强的吸附性能和吸附动力学.很多研究人员已经将此类水凝胶应用于实验室工业废水处理中并取得了不错的效果。

刘宛宜等以丙烯酸、丙烯酷胺为单体制备了聚(丙烯酸丙烯酷胺)水凝胶,并讨论了水凝胶对Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²和Cd的吸附行为。结果表明,水凝胶对Cu^2+、Pb²⁺、Zn和 、Cd的最大吸附量分别为 186,588,208和403mg/g。此外,干扰离子实验表明,水凝胶对Pb2有良好的选择性吸附。Muhammadi 等以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、1-乙烯咪哗为单体在不同条件下制备了聚(2-丙烯酷胺-2-甲基丙磺酸-co-1-乙烯咪哗)水凝胶.并将制备的多孔水凝胶用于从水溶液中吸附罗丹明 B。研究表明,水凝胶对罗丹明 B 有很好的吸附性能,最大吸附量为罗丹明 B。武梦等以 N,N,N-三甲基-3-(2-甲基烯丙酷氨基)-1-氯化丙钱为季阳离子单体,制备了一种专用于水体中砷离子去除的水凝胶。结果表明.该水凝胶具备优异的吸附速率、吸附性能及重复使用性能。水凝胶对砷离子的最大吸附量高达 103.56 mg/g,30 min 内即可达到吸附平衡,且经过五次吸附-解吸循环后,去除率仍然能够保持在 86.5%以上。该水凝胶在实际水样微量砷的去除与检测方面展现出广阔的应用前景。张浩然等以以丙烯酸、丙烯酰胺、对苯乙烯磺酸钠为单体制备了高吸附性能的三元共聚水凝胶。此水凝胶对水体中的常见重金属离子均表现出较高的去除率,其中对P2+表现出优异的选择性,最大吸附量为 497 mg/g,可作为一种有效的重金属离子吸附剂应用于实际废水处理中。但合成类高分子水凝胶存在降解性能差、原料成本高、循环使用性能差等缺点限制了其在工业废水处理领域的进一步应用。因此,合成类高分子水凝胶虽然拥有不错的综合吸附性能,但其距离工业化应用还有差距,未来科研人员在合成类水凝胶的研发上除了保持其优异的吸附性能外.还应赋予水凝胶较强的降解性能、原料价格低廉等优势。

二、天然高分子水凝胶

多糖类、多脑类、蛋白类等天然高分子水凝胶因其独特的生物相容性和可降解性而受到广泛关注,在工业废水处理等领域展现出巨大的应用潜力。天然高分子水凝胶具有更好的生物相容性、对环境的敏感性以及丰富的来源、低廉的价格等优点,受到越来越多学者的重视。此类水凝胶往往是通过天然高分子在物理或化学交联作用制备的.合成工艺相对较为简单。

Teow 等合成了可生物降解的纤维素水凝胶和纤维素/明胶复合水凝胶并用于水体中铜离子的去除。研究表明,在纤维素水凝胶网络中加入明胶,进一步提高了纤维素/明胶复合水凝胶的溶胀能力和吸附能力,复合水凝胶的最大溶胀能力为4 650%最高生物降解率为 79.5%,最高吸附容量为 28.4 mg/g这项研究的成功证实了纤维素水凝胶和纤维素/明胶复合水凝胶作为一种更可持续和环境友好的吸附剂在去除废水中的重金属方面的潜在应用。Li 等以甲基纤维素钠为原料制备了一种氧化还原反应水凝胶,用于吸附有机染料。羚甲基纤维素纳米晶首先被活化,然后与 1-半胱氨酸反应生成酷胺键。由此得到的二硫交联水凝胶能快速响应外界氧化或还原刺激,控制染料亚甲基蓝的吸附或释放过程。结果表明,该水凝胶作为种高效吸附剂,在 pH 值为 11 时,水凝胶的最大吸附量达到756 mg/g。总的来说,氧化还原反应水凝胶对有机染料的吸附和富集具有良好的应用前景.其应用范围还可以进一步扩大.Wang 等制备了甲基纤维素/壳聚糖互穿网络水凝胶,在不同 pH 值条件下对阴离子和阳离子染料进行吸附和脱附。羚甲基纤维素/壳聚糖水凝胶对酸性橙 I 的吸附量和解吸率分别高于 100 mg/g和 90%,而对亚甲基蓝的吸附量和解吸率在 5 个吸附/解吸循环后仍高于 110 mg/g 和 95%。本研究表明,甲基纤维素/壳聚糖互穿网络水凝胶在不同 pH 值下表现出不同的溶胀行为,在可控释放型载体材料方面具有很大的应用潜力。赵娣等[3]制备了海藻酸钠复合水凝胶并研究了凝胶球对模拟废水中重金属离子(P2)的去除效果。结果表明,水凝胶的最大吸附容量为 248.90 mg/g,过 5 次吸附解吸后,凝胶球对 Pb2的吸附能力仅下降了不到 10%,表明水凝胶球拥有优异的再生性能。

      以上研究充分表明,天然高分子水凝胶在废水处理领域具有与众不同的优势,然而传统的天然高分子水凝胶受制于力学强度差、功能单一等问题,极大地限制了其在实际废水处理应用中的发展。

三、改性水凝胶

      合成高分子水凝胶、天然高分子水凝胶在单独使用时通常存在凝胶强度低、韧性差、吸附量小和吸附速率慢等缺点,无法满足使用的要求。因此,结合两者的优点.科研工作者对合成高分子水凝胶或天然高分子水凝胶进行改性处理,充分发挥水凝胶在废水处理领域的优势。

1.改性合成高分子水凝胶

      虽然合成类水凝胶具有优异的吸附性能,但昂贵的原料成本使其难以应用于实际废水处理中。为此,研究人员在聚合过程中引入了价格低廉的组分,在保留了传统合成水凝胶吸附性能的同时还降低了成本,进一步提升了水凝胶在废水处理领域的应用价值。

      Kong 等以丙烯酸为单体,聚合过程中引入氧化石墨烧制备了氧化石墨烯/聚丙烯酸水凝胶，用它作为高效吸附剂去除废水中的二价铬离子。结果表明,氧化石墨烯和聚丙烯酸在连续吸附-光催化过程中的作用是互补的,进一步提升了聚内烯酸水凝胶的吸附性能。Dong 等采用一种简单的方法合成了磁性黄药改性壳聚糖/聚丙烯酸水凝胶,用于去除水溶液中的重金属离子。壳聚糖黄药改性显著提高了水凝胶对 Cu( II)Cd(II)_Pb(I)和 Co(I)离子的吸附量,分别为 206,178,168 和140 mg/g。磁性水凝胶具有良好的再生能力,利用磁铁可有效地从溶液中分离出来。该水凝胶具有吸附效率高、再生能力强、易于与溶液分离等优点,在工业污水和废水处理领域具有广阔的发展前景。Cao 等 采用一锅法制备了一种新型环保多孔双网角蛋白/聚丙烯酸水凝胶,以提高水凝胶对 Pb(II)的吸附性能。合成的水凝胶仅用 6 min 就从溶液中吸附了近 70%的 Pb(II)。水凝胶对 Pb(II)的最大吸附量为 234.6 mg/g,选择性较好。角蛋白/聚丙烯酸水凝胶是去除水中 Pb(II)的优良吸附材料。梁志等 以内烯酸为单体,聚合过程中引入半纤维素制备了半纤维素基水凝胶。结果表明,240 min,对 Cd2+和 Zn2的最大吸附量分别为 520 和 337 mg/g,可作为重金属废水处理用的生物质吸附剂。

      上述研究表明,对合成高分子水凝胶进行改性处理不仅可以增强水凝胶的吸附性能.还能降低水凝胶的应用成本.改善水凝胶的多孔结构,提升水凝胶在实际废水处理中的应用性能。

2.改性天然高分子水凝胶

      天然高分子水凝胶通常存在凝胶强度低、韧性差和吸附性能差等缺点,无法满足使用的要求。为此,科研工作者在天然高分子水凝胶基础之上,引入其他组分,对水凝胶的综合性能进行改性处理,并取得了不错的实验结果。

      Zhang 等制备了磁性膨润土/甲基壳聚糖/海藻酸钠复合水凝胶小球,并研究了其吸附水中铜离子的能力。结果表明:在 90 min 的吸附时间后,水凝胶对 Cu(II)的去除率为92.62%+0.39%,最大吸附量为 56.79 mgg。水凝胶对 Cu( II)的去除率在循环使用 4 次后仍保持在 80%以上。Verma 等[9 用氧化石墨烯改性海藻酸钠时,制备了改性多孔海藻酸钠/石墨基复合水凝胶。该水凝胶了作为一种有效的有机污染物吸附剂.在优化的实验条件下,孔雀石绿染料的最大吸附量为628.93 mg/g。该水凝胶具有较好的溶胀率、环境友好性、较高的吸附潜力和再生能力,是一种潜在的染料污染修复材料Pauletto 等合成了壳聚糖基复合水凝胶,并将其应用于吸附酸性蓝和 Allura 红 AC 的单液和双液体系中。实验结果表明,复合水凝胶对两种染料的吸附能力较强,说明修饰增加了活性位点的数量,单键基功能化有利于与染料磺化基团的相互作用。罗钰暖等以菠萝皮渣纤维素(PPC)为原料，通过碱/尿素体系溶解纤维素并掺入皂土,利用化学交联和原位嵌入磁性 Fe,0，制备复合水凝胶。结果表明,结果表明:皂土有效改善了水凝胶的交联多孔网络结构、热稳定性和溶胀性能。此外,添加皂土有利于提高水凝胶对亚甲基蓝的吸附性能,其饱和吸附量从 28.09 mg/g 提高到 55.87 g/g。

      综上所述.对天然高分子水凝胶可大幅度提升水凝胶的吸附性能力学性能循环使用性能并可赋子水凝胶磁性能提高吸附后水凝胶与溶液体系的分离效率。在传统水凝胶材料研究的基础上开发新型水凝胶材料,已经成为废水处理领域的研究热点

四、结语

      水凝胶含水量高、弹性好,具有一定力学强度和多孔结构存在丰富的吸附位点,是一种理想的废水处理吸附剂。在这篇综述中.我们总结了水凝胶在水处理领域的最新研究进展,并着重介绍了目前应用于废水处理中三类水凝胶:合成水凝胶天然高分子水凝胶.改性水凝胶。对不同类型的水凝胶优点与缺陷进行汇总.指出了未来水凝胶的发展趋势。天然高分子水凝胶安全性好.发展前景良好。然而,天然高分子水凝胶普遍存在力学性能差及降解速率过快的缺陷,不利于其重复使用.合成水凝胶力学强度高,但其生物安全性、成本控制仍有不足鉴于不同材料制备的水凝胶各有利弊。研究者们将优越性互补的数种材料杂化,以制备性质稳定、生物相容性好、力学强度高的新型水凝胶。具备这些优点的新型水凝胶在废水处理方面具有良好的应用前景,随着相关研究的进一步深入,新型水凝胶将作传统吸附剂的替代品,为工业废水处理提供令人满意的解决方案。

      其中.许多水凝胶已经被有效地合成并成功地应用于去除水中的污染物.未来将有更多高性能、低成本的水凝胶应用于实际水体污染中。此外,本文为设计新型的高性能水凝胶提供了有效信息，从而可以帮助科研工作者弥合现有水凝胶在吸附领域应用时存在的挑战和缺点。