生物工程藻酸盐-木质素纳米混合珠，用于从废水中超快速吸附全氟和多氟烷基物质（PFAS）及药物类微量污染物

《Bioresource Technology Reports》：Bio engineered alginate lignin nano hybrid beads for ultra fast adsorption of PFAS and pharmaceutical micro pollutants from wastewater

本研究开发了一种海藻酸-木质素纳米混合球（ALNH），用于高效快速吸附水体中的PFAS和卡马西平。ALNH具有高比表面积（214 m2/g），吸附平衡仅需8分钟，吸附容量达312 mg/g（PFOS）、287 mg/g（PFOA）、298 mg/g（卡马西平）。吸附机制涉及静电、疏水及π-π堆积作用，热力学分析表明过程自发且吸热，再生效率＞93%。该材料为环保水处理提供了可持续解决方案。

　　

Eman Fayad | Luai Z. Hasoun | Dalal Nasser Binjawhar | A. Ebada | Mohammad Albayari | Ahmed Abu-Rayyan | M. Fathy

生物技术系，科学学院，泰夫大学，邮政信箱11099，泰夫，21944，沙特阿拉伯

摘要

全氟和多氟烷基物质（PFAS）以及药物残留物由于其高稳定性、生物累积潜力以及对传统废水处理过程的抗性，已被认为是最重要的环境问题之一。在本研究中，设计并开发了一种生物工程藻酸盐-木质素纳米混合（ALNH）珠子，作为一种绿色、高性能的吸附材料，用于从水环境中超快速吸附PFOS、PFOA和卡马西平。ALNH微珠通过Ca²⁺离子的绿色离子凝胶化交联成功合成，其中藻酸盐的聚阴离子性质与木质素纳米颗粒的芳香性质协同作用，形成了具有214 m² g^?1高表面积的中孔结构（使用BET方法测定）。ALNH微珠表现出超快的吸附动力学，在8分钟内达到平衡。Langmuir吸附容量分别为PFOS 312 mg g^?1、PFOA 287 mg g^?1和卡马西平298 mg g^{?1?1之间。即使经过5次循环后，吸附剂的再生效率仍高于93%。藻酸盐基质中木质素纳米领域的独特组合为去除顽固的有机微污染物提供了有希望的前景。}

引言

全氟和多氟烷基物质（PFAS）以及药物微污染物在水环境中的全球存在已成为一个严重的环境和公共卫生问题。PFAS（包括PFOS和PFOA）具有强C-F键（键能约为485 kJ mol^?1），使其在化学和热上稳定，高度持久，并且难以生物降解。它们的两亲结构促进了在水系统中的移动性和在生物组织中的积累。同样，如卡马西平这样的药物化合物由于在传统废水处理过程中去除不完全，经常在市政和医院废水中被检测到。这些污染物的持续排放带来了长期的生态和毒理学风险（Nishmitha等人，2025年）。 传统的处理方法，如使用活性炭的吸附（Janthabut等人，2025年；Wang等人，2025a年；Gibert等人，2026年）、高级氧化过程（Park等人，2024年；Ahmed等人，2025年；Qin等人，2025年）、膜技术（Chen等人，2025年；Yassari等人，2025年；Yusuf等人，2025年）和离子交换树脂（Bensalah等人，2025年；Tong等人，2025年；Zhang等人，2025年）已被广泛研究；在可用的处理技术中，吸附因其操作简单、高效以及适应各种污染物类型而成为最有前景的方法之一。然而，传统的吸附剂如活性炭和合成离子交换树脂存在一些局限性，包括吸附动力学慢、孔堵塞、再生效率低和生产成本高。此外，许多商业吸附剂缺乏能够同时处理静电、疏水和π-π相互作用的多功能结合位点，这对于有效捕获PFAS和药物是必要的（Fayad等人，2025年）。 近年来，基于生物的吸附剂因可持续性、可再生性和可调表面化学性质而受到越来越多的关注。然而，单一成分的生物聚合物通常存在结构或功能上的限制。藻酸盐是一种从褐藻中提取的天然存在的阴离子多糖，含有丰富的羧基团，能够进行离子交联和静电结合。虽然藻酸盐通过Ca²⁺交联形成稳定的水凝胶网络，但其亲水性限制了与PFAS等疏水性有机污染物的相互作用（Manikandan等人，2025年）。 相反，木质素是一种丰富的芳香生物聚合物，作为纸浆和造纸工业的副产品，含有酚羟基和富含π电子的芳香环，能够进行疏水相互作用和π-π堆叠。木质素对芳香药物和氟化化合物表现出亲和力；然而，由于其结构完整性差和由于聚集导致的表面可及性低，作为独立吸附剂的应用受到限制。 合理整合藻酸盐和木质素提供了一种互补的材料设计策略。藻酸盐提供结构框架、机械稳定性和负电荷结合位点，而木质素引入疏水领域和π-相互作用能力。将木质素纳米颗粒嵌入钙交联的藻酸盐网络中，预计可以（i）增强表面异质性，（ii）增加中孔性，（iii）改善传质动力学，（iv）产生多种协同吸附机制。 尽管这些理论上有很大的优势，但系统研究藻酸盐-木质素纳米混合珠子同时去除PFAS和药物污染物的研究仍然有限。大多数先前的研究集中在重金属吸附或单一有机染料去除上，对新兴微污染物的机制分析不足，性能比较也有限。 因此，本研究的目的是开发并表征一种具有增强吸附动力学和去除PFOS、PFOA及卡马西平能力的介孔藻酸盐-木质素纳米混合珠子。该工作旨在通过研究结构特性、吸附机制、热力学和再生性能，在一个逻辑上整合的框架内，弥合可持续生物聚合物设计和高性能吸附技术之间的差距。

材料

从Sigma Aldrich购买的纯度≥99%的藻酸钠（从褐藻中提取）作为主要生物聚合物基质，而从东京化学工业（TCI，日本）购买的纯度≥98%的 Kraft 木质素纳米颗粒作为芳香和疏水部分。从Merck购买的纯度为分析级99%的氯化钙二水合物（CaCl?·2H?O）在珠子形成阶段用作离子交联剂。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）

图2中的FTIR光谱显示了Kraft木质素、藻酸钠和ALNH珠子的官能团特征，从而证实了通过化学相互作用成功形成了这些混合物。藻酸钠在约3200–3400 cm^?1处显示出宽的–OH伸缩振动，这是羟基官能团的典型特征；同时在约1600 cm^?1和约1415 cm^?1处显示出尖锐的–COO?不对称和对称伸缩振动，从而证实了–COO?官能团的存在。

结论

ALNH珠子的合成是水净化领域的一个重大突破，是一种高效且环保的替代品，可以替代当前的吸附剂（如活性炭）。通过将木质素纳米颗粒成功结合到交联的藻酸盐基质中，本研究开发出了一种具有高度发达的中孔结构和高表面积（214 m² g^?1）的材料，确保在短短8分钟内达到接近平衡状态的超快吸附动力学。

CRediT作者贡献声明

Eman Fayad：写作 – 审稿与编辑。 Luai Z. Hasoun：形式分析。 Dalal Nasser Binjawhar：资源提供。 A. Ebada：写作 – 原初草稿。 Mohammad Albayari：软件支持。 Ahmed Abu-Rayyan：方法学设计。 M. Fathy：写作 – 审稿与编辑。

参与同意

不适用。

出版同意

不适用。

伦理批准

不适用。

关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了DeepSeek来改进特定部分的语言、可读性和语法。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表的手稿内容负全责。 关于图形摘要和图1，参考了公开的科学资源以获取概念指导，并使用了AI辅助工具来支持可视化过程。

资金

作者感谢沙特阿拉伯利雅得Nourah bint Abdulrahman大学的研究支持项目（编号：PNURSP2025R155）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢沙特阿拉伯利雅得Nourah bint Abdulrahman大学的研究支持项目（编号：PNURSP2025R155）的支持。