《Separation and Purification Technology》：Integrated experimental, computational, and density functional theory analysis of m-nitrophenol adsorption and supercritical CO?-assisted regeneration on β-cyclodextrin nanosponges
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本研究针对间硝基苯酚（mNP）在水环境中的污染问题，探究其在β-环糊精纳米海绵（β-CDNSs）上的吸附行为及超临界CO2（scCO2）辅助再生性能。研究人员采用环氧氯丙烷（EPI）交联法合成β-CDNSs，并通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、差示扫描量热法
本研究针对间硝基苯酚（mNP）在水环境中的污染问题，探究其在β-环糊精纳米海绵（β-CDNSs）上的吸附行为及超临界CO2（scCO2）辅助再生性能。研究人员采用环氧氯丙烷（EPI）交联法合成β-CDNSs，并通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、差示扫描量热法（DSC）、扫描电子显微镜（SEM）、Brunauer–Emmett–Teller（BET）分析及ζ电位测定对其进行表征。批次吸附实验表明，mNP初始浓度、吸附剂投加量、温度、pH、搅拌速率及粒径等操作参数显著影响吸附性能，在选定条件（初始浓度C0=100 mg/L、固液比m/V=6 g/L、25 °C、pH=5.5、转速N=200 rpm、粒径Dp=150–500 μm、接触时间t=120 min）下，去除率达59.15±2.56%，吸附容量为9.86±0.43 mg/g。共存无机离子、腐殖酸、混合离子体系及自来水基质对去除效率影响较小，表明材料在简化水相条件下具有初步的基质耐受性。动力学模型结合操作参数实验显示，吸附为多阶段多步过程，无单一主导控速步骤；等温线模型表明其符合非理想平衡行为，Redlich–Peterson模型拟合效果最优，但这仅为描述性结果，不能直接证明异质或多位点吸附。热力学分析基于表观浓度框架，提示该吸附过程为弱自发放热反应。互补的密度泛函理论（DFT）与分子对接分析从定性层面支持氢键、疏水包合作用及色散力可能共同贡献于mNP的保留。scCO2辅助再生在40 °C、300 bar、含5%（v/v）乙醇条件下，脱附效率达98.45±1.25%，并在12次循环内保持稳定的吸附–脱附性能，再生后表征证实β-CDNSs结构稳定且可重复使用。
间硝基苯酚（mNP）作为单硝基苯酚的重要异构体，广泛应用于染料、农药、医药及高分子材料等领域，但其高极性、化学稳定性及难降解特性使其成为持久性环境污染物，易在水体和土壤中累积并对生态系统和人类健康构成威胁。现有物理化学与生物处理方法普遍存在能耗高、成本昂贵、二次污染风险大等问题，难以满足可持续水处理的需求。在此背景下，循环修复理念强调将污染物去除、吸附剂再生与资源回收整合于闭环系统中，β-环糊精纳米海绵（β-CDNSs）因其可再生、选择性高、结构可调及分子识别能力，被视为极具潜力的绿色吸附材料。然而，针对mNP在β-CDNSs上的吸附机制及超临界CO2（scCO2）辅助再生的系统性研究仍较缺乏，且缺乏实验与分子层面结合的评估。为此，研究人员开展本项工作，旨在阐明β-CDNSs对mNP的吸附机理，并优化scCO2再生工艺，以实现高效、低溶剂消耗的循环利用。
在技术方法上，研究人员首先通过环氧氯丙烷（EPI）交联合成β-CDNSs，并采用多种表征手段确认其结构与理化性质。随后，在批次实验中系统考察初始浓度、吸附剂用量、温度、pH、搅拌速率及粒径等参数对吸附性能的影响，同时评估共存物质及实际水基质对去除效果的干扰。为揭示吸附机理，研究人员结合动力学、等温线与热力学模型进行分析，并辅以密度泛函理论（DFT）与分子对接计算，从分子层面探讨相互作用类型。再生实验则在不同温度、压力及夹带剂比例下进行，并通过循环测试验证材料的稳定性与可重用性。
研究结果如下：
材料表征：FTIR、DSC、SEM、BET及ζ电位结果表明，β-CDNSs形成三维多孔网络结构，具有适宜的比表面积与表面电荷特性，有利于mNP的传质与结合。
吸附性能：最佳条件下的去除率与吸附容量分别为59.15±2.56%和9.86±0.43 mg/g，操作参数变化显著改变吸附行为；基质效应实验显示其对复杂水环境的初步适应能力。
吸附机理：动力学与等温线模型提示多阶段传输及非理想平衡特征；DFT与分子对接分析支持氢键、疏水包合及色散力共同作用。
再生与循环稳定性：scCO2辅助再生在40 °C、300 bar、5%（v/v）乙醇条件下脱附效率超过98%，12次循环后性能无明显下降，结构表征验证了材料的长期稳定性。
在讨论与结论中，研究人员指出，β-CDNSs在温和条件下即可实现对mNP的有效吸附，且其再生过程无需大量有机溶剂，符合绿色与可持续水处理的发展方向。研究不仅提供了β-CDNSs–mNP体系的实验与理论数据，还展示了scCO2再生在闭环水处理系统中的可行性与优势。该研究发表于《Separation and Purification Technology》，为开发高效、可循环的环境修复材料提供了理论与应用基础。
