清华大学岳东北课题组E&ST：从复杂基质废水中去除表面活性污染物的机理研究

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成果简介

近日，清华大学环境学院张龄月博士为第一作者、岳东北教授为通讯作者的研究成果以 “Mechanistic insights into the removal of surfactant-like contaminants on mesoporous polydopamine nanospheres from complex wastewater matrices” 为题，发表在环境科学领域期刊 Environmental Science & Technology 。研究采用软模板法制备介孔纳米球，实现了在复杂渗滤液环境水体中表面活性微污染物的高效去除。值得注意的是，该研究基于低场核磁技术，以水分子为探针，定量表征了纳米材料表面的亲疏水特性，解决了颗粒状纳米材料表面性能研究的关键问题 。

表面活性污染物（ SLCs ）具有亲水性和疏水性的双重特性。由于其有害的直接和间接环境影响， SLCs 已成为废水处理领域广泛研究的污染组分。 2009 年全氟辛烷磺酸（ PFOS ）被归类为持久性有机污染物后，在实际污染水体中高效去除 SLCs 更受到广泛关注。然而， SLCs 的去除机制未能全面阐明，显著的竞争效应使得已报道的吸附材料对 SLCs 的去除效率仍有待提高。另外，尽管低场核磁共振（ LF-NMR ）在之前的研究中被认为是量化亲水性能的潜在方法，但由于纳米孔道对分子探针分布的重要影响，仍需要进一步研究其对多孔纳米颗粒的表征方法和机制 。

本研究提出了一种使用软模板法制备介孔聚多巴胺纳米球（ MPDA ）的新方法，并以水分子为探针测量横向弛豫时间（ T ₂ ），采用 LF-NMR 表征了 MPDA 的表面亲疏水特性以及多孔形貌的影响机制。通过体系等电点调控和相似化学结构 SLCs 的横向对比，研究阐明了 MPDA 在复杂基质废水中去除 SLCs 的相互作用机制，为实际水体中 SLCs 的高效去除提供了理论依据 。

图文导读

研究采用软模板法成功制备了 MPDA ，孔径分布结果表明，相比于传统聚多巴胺纳米材料， MPDA 具有介孔结构且直径 < 30 nm 。通过对反应条件的定向调控，研究实现了对 MPDA 纳米颗粒直径的稳定控制 。

图 1 介孔聚多巴胺纳米球制备及结构表征

依据吸附前后 XPS 和 FTIR 表征结果， SLCs 在材料表面主要以物理吸附为主，吸附后 MPDA 表面特征峰与 SLCs 保持一致。在等 Zeta 电位点 pH 值条件下， MPDA 对 SLCs 呈现出显著的选择性吸附性能，在平衡吸附容量方面明显高于传统多巴胺纳米球。此外， MPDA 对 LAS 的吸附能力高于 PFOS 和 SDLS ，与 SLCs 的 logP 值大小一致，这表明疏水性相互作用在 SLCs 吸附中具有重要影响。为了验证这一假设，我们采用 LF-NMR 以水分子为探针定量表征吸附材料的表面亲水特性。根据 LF-NMR 衰减曲线和计算的 T ₂ 弛豫时间，吸附材料的表面亲水性顺序为： PDA>SPDA>MPDA 。多组分反演结果表明， MPDA 的非自由水主要集中在表面的介孔和颗粒之间的纳米孔中，表明其亲水性相对较弱，水分子主要通过毛细作用聚集在其表面 。

图 2 SLCs 去除机制解析

根据机制解析结果，研究开发了基于乙醇洗脱的材料重复利用和实际水体应用策略， MPDA 在 5 次重复利用测试中呈现稳定的 SLCs 吸附和脱附性能。同时 MPDA 对背景污染物浓度极高的生活垃圾渗滤液废水中的阴离子、阳离子和非离子 SLCs 均具有较高的选择性去除能力 。

图 3 MPDA 循环和实际水体中对 SLCs 去除效果