我国科学家制备出全分散微球材料，可从废水中回收染料

 

有机染料是常用的色彩添加剂，广泛应用于工业、科研和日常生活。染料让我们的服饰、食品、日用品绚丽多彩；染料在显微镜下发光实现成像，帮助我们揭示微观世界的奥秘。有数据表明，全球有机染料的产量达到70万吨/年，但其中近10-15%被排放到工业和家庭废水中，已成为水污染的重要源头，对生态环境和公众健康构成威胁。 

现有染料废水的处理方法如混凝-絮凝法、生物降解法，可去除废水中大部分有机染料，而这些方法面临染料去除不彻底、适用染料种类有限、产生的淤泥容易造成二次污染等问题。近年来，随着纳米技术、材料科技的迅猛发展，涌现出一些新兴的材料与染料废水处理技术如催化氧化、纳滤和多孔颗粒吸附。催化剂、膜和吸附材料在完成染料废水处理后可重复使用，而染料的回收较少被重视。究其原因在于，在有机染料脱附过程中，通常在水溶液中加入含有无机酸、碱或盐的洗脱液，使有机染料的回收过程更加复杂。 

近日，中国科学院理化技术研究所仿生材料与界面科学重点实验室提出了全新的表面异质纳米结构化颗粒全分散策略，制备了全分散的亲水-疏水异质微球。这些微球在一系列溶剂（水、乙醇、辛烷等）中展示出全分散的优异性能，并实现了从废水中回收有机染料。 

近年来，理化所研究员王树涛团队提出了乳液界面聚合合成异质结构微球的新方法，并在其高效分离应用上取得了一系列创新性成果：发展了多种乳液界面聚合合成方法，制备了一系列具有不同尺寸、化学组成、孔隙、表面纳米结构的异质微球，实现了复杂生物流体中痕量糖肽的分离、相近尺寸蛋白的分离、病毒核酸分离、癌症病人外周血中痕量循环肿瘤细胞的分离、水中痕量微油滴的分离等，构筑了色谱柱、微分离柱、微流控、纸色谱等分离器件。此外，该团队基于上述成果撰写了综述文章。 

亲水-疏水异质微球表面具有交替的亲水、疏水成分（图1）。这种结构既利于高极性溶剂（水）的铺展，又利于中等极性溶剂（乙醇等有机溶剂）、低极性溶剂（辛烷等油性有机溶剂）的铺展。此外，在亲水区，易引入带电基团，这些基团能为颗粒间提供静电排斥作用，从而在不同溶剂中实现良好的分散（图2）。利用这种独特的全分散性，该团队发展了一种从含有机染料的废水中分离回收染料的策略。染料在水中被吸附到微球上，通过过滤得到净化的水与吸附了染料的微球，再将这些微球分散到有机溶剂中实现染料的脱附，通过过滤得到溶解了染料的有机溶剂，染料通过蒸馏被回收，同时微球被循环利用（图3）。 

亲水-疏水异质微球为有机染料的回收提供了一类颇具前景的材料。回收有机染料的过程中，只需加入有机溶剂，无需加入含有无机酸、碱或盐的洗脱液。有机溶剂易通过简单的蒸馏从染料中去除，避免了去除无机酸、碱和盐的复杂步骤。这类材料在环境污染物处理、资源回收利用、海洋资源富集提取、生物分子检测等复杂样品的分离分析领域具有广阔的应用前景。 

王树涛表示，这么多年来团队一直尝试利用界面化学设计来解决分离技术中“根材料”创制的难题，终于在分离微球材料上取得了突破。 

相关研究成果以Heterostructure particles enable omnidispersible in water and oil towards organic dye recycle为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。研究工作得到国家自然科学基金重点项目和国家重点研发计划等的支持。华南理工大学的科研人员参与研究。

图1.亲水-疏水异质微球的表征。该团队利用前期发展的乳液界面聚合合成方法，合成了亲水-疏水异质微球，并通过透射电子显微镜、光诱导力显微镜、原子力显微镜等表征，证实了其表面异质纳米结构。 

图2.亲水-疏水异质微球、亲水微球、疏水微球的分散性能对比。

图3.亲水-疏水异质微球实现废水中染料回收。染料在水中被微球吸附；过滤分离；微球分散在有机溶剂中，实现染料脱附；低温蒸馏实现染料回收；微球用于循环染料回收。

图4.左图：微球从废水中捕获染料的荧光显微图像；右图：微球在有机溶剂中释放染料的荧光显微图像。

图5.全分散的亲水-疏水异质微球

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41053-8