大家好！今天来了解一篇生物质纤维框架的研究——《Revivable self-assembled supramolecular biomass fibrous framework for efficient microplastic removal》发表于《SCIENCE ADVANCES》。塑料微粒在环境中的泛滥已成为严峻问题，严重威胁着整个生态系统。当前，迫切需要一种通用且高效的去除策略。通过将几丁质和纤维素进行超分子自组装，成功开发出一种可持续且环境适应性强的吸附剂。这种生物质纤维框架（Ct - Cel）对多种微塑料展现出卓越的吸附性能，为解决微塑料污染难题带来了新的曙光，让我们一同深入了解其独特之处。
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一、研究背景
塑料垃圾在环境中的大量存在以及在自然条件下难以降解，导致微塑料污染持续加剧，对水生生态系统构成严重威胁。当前，缺乏高效且广泛适用的微塑料去除技术，尤其是针对小于10μm的微塑料。现有研究中的材料或策略存在制备过程复杂、原材料昂贵等问题，限制了大规模应用。此外，微塑料的异质性使其与不同水体中的多种元素相关联，这对材料设计提出了更高要求。利用生物质构建高效吸附剂是解决这些问题的有效策略，纤维素和几丁质等生物质材料因其成本低、生物相容性好和可持续性而备受关注。
二、Ct-Cel泡沫结构特性
Ct-Cel由Cel宏观-微纤维和Ct纳米纤维片通过氢键自组装形成稳定的超分子框架，具有多孔结构和丰富的活性位点（-OH、-NH₃⁺、-NHCO-）。其密度约为0.02g/cm³，孔隙率达97%，呈正电性，有利于吸附带负电的微塑料。MD模拟和表征结果表明，氢键和纤维骨架共同稳定了泡沫结构。例如，FTIR光谱显示Ct-Cel自组装后相关峰位发生位移，表明分子内和分子间氢键形成方式改变；XPS分析表明-NHCO-（N1s）峰向高结合能移动，-C═O（O1s）峰向相反方向移动，反映了Ct上-NHCOCH₃电子云密度的变化，表明其活化并与Cel上的-OH形成氢键。
三、吸附性能
1、不同微塑料吸附
Ct-Cel对PS、PP、PET、PMMA等微塑料具有良好的吸附性能，吸附容量和速率受多种因素影响。
在100nmPS微球吸附实验中，Ct-Cel₁在298K时饱和吸附容量最高，可达349.7±5.9mg/g。吸附过程符合准二级模型，表明微塑料浓度和吸附剂的有效结合位点共同起重要作用。颗粒内扩散模型显示，PS向吸附剂表面运输速度较快，且Ct-Cel泡沫中Cel的添加有利于PS在60-240分钟内渗透进入泡沫内部。
对于不同浓度的PS，Ct-Cel₁吸附容量随浓度升高而增加，吸附行为用Freundlich模型解释效果更好。温度升高时，吸附性能增强，如在308K和318K时，PS微球在Ct-Cel₁上的吸附容量分别为403.9±0.7mg/g和480.8±0.6mg/g。
吸附带不同电荷表面（PS-NH₂和PS-COOH）和不同粒径的PS微球实验表明，静电作用在吸附过程中非常重要，PS-COOH因与Ct-Cel₁静电作用更强，吸附容量更高；同时，PS-NH₂因存在-NH₂可形成氢键，吸附容量也可达约200mg/g。对不同粒径PS的吸附容量随粒径增大而增加，这可能与物理拦截作用有关。
对3μm左右的PS、PP、PET、PMMA颗粒吸附实验中，Ct-Cel₁对它们的吸附容量存在差异，SEM图像显示孔隙物理拦截对微塑料去除也有贡献。
2、实际水样吸附
在理想条件下，多种因素影响Ct-Cel₁对PS的吸附能力。亚甲基蓝和乙醇对吸附性能影响较大，使吸附容量分别降至174.4±12.1mg/g和210.7±58.7mg/g，但仍保持约50%的吸附容量，表明Ct-Cel₁中丰富的官能团参与了分子间相互作用。刚果红对吸附容量影响不显著，且Ct-Cel₁对刚果红有高吸附容量和去除率。SiO₂颗粒存在时，吸附容量降低，因为其占据了吸附位点。Pb²⁺存在有助于微塑料去除，使吸附容量增加，这是由于Pb²⁺与Ct-Cel₁形成复合物后进一步结合PS。微生物存在时，协同增强了PS的吸附，细菌产生的生物膜使PS聚集共吸附，且材料具有一定自清洁能力。
在四种实际水样中，死水和湖水杂质和微生物较多。首次循环时，Ct-Cel₁对PS的去除率较高，经五次循环后，所有水样的去除率仍>95%，尤其是含微生物较多的湖水和死水，去除率始终>97%。NaCl浓度对吸附容量有影响，低浓度时离子干扰使吸附容量降低，高浓度（3%）时PS聚集，整体吸附容量显著增加。
四、吸附机制
通过MD模拟和IGMH计算分析，吸附机制涉及物理拦截、静电吸引和多种分子间相互作用，如范德华力（vdW）、氢键等。不同微塑料与Ct-Cel的相互作用方式不同，例如，PET和PMMA因能与纤维素和β-几丁质形成额外氢键作用，吸附更牢固。理论评估表明，vdW和氢键相互作用在吸附过程中起着重要作用。在PS系统中，OH…π和CH…π相互作用对吸附有贡献；PP主要通过vdW相互作用吸附；PET和PMMA与Ct-Cel之间存在多种氢键相互作用，促进了它们的高亲和力。
五、研究结论
本研究开发的Ct-Cel生物质泡沫对不同条件下的微塑料具有良好的吸附能力，在多种共存物质存在时表现出适应性和稳定性，在实际水样中经过多次循环使用后仍能保持高去除率。这为构建功能性生物质材料和治理微塑料污染提供了有效的策略。生物质泡沫在有机溶剂中的良好回收能力有助于降低成本并防止微塑料在自然降解过程中重新进入环境，其在从复杂水体中提取微塑料方面具有很大潜力，研究的设计原则将有助于未来开发基于生物质泡沫治理微塑料污染的可持续策略。
六、一起来做做题吧
1、目前微塑料污染面临的主要问题不包括以下哪一项？
A. 塑料垃圾数量持续增加
B. 现有去除技术高效且广泛适用
C. 微塑料在自然条件下难以降解
D. 政策难以完全遏制污染加剧
2、在制备 Ct - Cel 泡沫过程中，β - 几丁质需要经过什么处理？
A. 加入 1% 盐酸浸泡 24 小时后高速均质
B. 加入 1% 乙酸浸泡 24 小时后高速均质
C. 直接高速均质
D. 加入 1% 乙醇浸泡 24 小时后高速均质
3、Ct - Cel 泡沫结构稳定的原因不包括以下哪一项？
A. Cel 纤维的骨架支撑
B. Ct 与 Cel 之间的氢键作用
C. 大量的静电相互作用
D. 丰富的活性官能团
4、对于 100nm PS 微球吸附实验，下列说法正确的是？
A. Ct - Cel 泡沫吸附容量随时间一直增加
B. 吸附过程符合准一级模型
C. 温度升高对吸附容量无影响
D. Ct - Cel₁在 298K 时饱和吸附容量最高
5、在吸附机制中，哪种相互作用对 PET 和 PMMA 在 Ct - Cel 上的吸附贡献较大？
A. 仅范德华力（vdW）
B. 仅氢键
C. vdW 和氢键
D. 静电吸引
6、Ct - Cel 生物质泡沫在微塑料治理方面的优势不包括以下哪点？
A. 对多种微塑料有良好吸附能力
B. 在复杂环境中适应性差
C. 多次循环使用后仍保持高去除率
D. 回收能力有助于降低成本
参考文献：
Yang Wu et al. Revivable self-assembled supramolecular biomass fibrous framework for efficient microplastic removal. Sci. Adv. 10, eadn8662(2024).
