《Adv Mater》:一种可用于快速净化饮用水的水凝胶材料! 2024-04-26 12:54:41 长期以来,清洁的饮用水一直是国际社会所追求的目标。据报道,发展中国家每年有数百万人死于因饮用含有病原微生物的水而引起的疾病。全球人口增长和持续的流行病无疑加剧了安全用水的挑战。当前,无论是使用化学试剂还是采用蒸馏对水进行净化,都需要较高的能耗以及相对集中的净水设施。因此,迫切需要一种低成本、快速、安全无污染、节能的水处理方法来应对如何获取清洁的饮用水这一全球挑战。近日,来自美国德克萨斯大学的研究人员发明了一种由儿茶酚功能化壳聚糖 (CCS) 网络和醌锚定活性炭颗粒组成的抗菌水凝胶 (ABH),用于对饮用水的有效净化。相关论文以题为“Molecular Engineering of Hydrogels for Rapid Water Disinfection and Sustainable Solar Vapor Generation”与发表在Advanced Materials上。论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202102994 研究表明,由空气和水中的 O 2引发的儿茶酚基团的自发氧化导致 H2O2从充当广效消毒剂的本体水凝胶网络中逐渐释放。同时,水凝胶网络中的醌修饰活性炭 (QAC) 颗粒促进与各种生物巯基的反应,例如蛋白质和代谢物中发现的巯基,以进一步增强杀菌效果。因此,制备的 ABH 可以作为片剂直接浸入未经处理的水中,以在 60 分钟内(零能耗)实现枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌的5-6 log 灭活(>99.999% )。净化后,ABH可以轻松去除,在水中无残留。在其他水净化技术,特别是在太阳能水蒸发器中,ABH除了保证有效的水分蒸发外,还可以防止生物污染。即便是在阳光下(≤1kW m-2)经过几个月的运行,ABH依然可以实现稳定的水净化功能。在SEM下,ABH呈现多孔结构,且孔径范围为30 到 300 µm。QAC颗粒在几百纳米到几微米之间,并能穿透凝胶的CSS网络。这种独特的亲水聚合物网络多孔结构有利于儿茶酚基团和 QAC 颗粒与含细菌的水接触。研究人员在在相同的实验条件下评估了等质量的 ABH、CS和 CCS 的消毒性能,并提出了ABH可能的抗菌机理。首先,连接到 CS 骨架上的儿茶酚基团可以与空气和水中的氧 (O2 )反应形成半醌和 ROS ,同时生成过氧化氢 (H2O2 )作为副产物。随后,ROS也可以与水中的质子反应形成H2O2而半醌可以进一步被O2 氧化成醌,同时产生更多的H2O2。产生的H2O2会快速地从ABH中扩散到水中。在120min过后,体系中H2O2的浓度维持在150 µm左右。这些产生和释放的ROS和H2O2可以充当有效的细菌抑制剂。同时,还证实了在ABH 聚合物网络中添加的QAC 颗粒也能加速细菌灭活过程。 图1. 用于水消毒和净化的抗菌水凝胶 (ABH) 的示意图。a)过氧化氢可以作为儿茶酚官能团自动氧化为醌的副产物产生,用于在常压和室温下灭活细菌。b) ABH 网络由儿茶酚功能化壳聚糖作为骨架组成。c) 整个聚合物网络中的 1,4-苯醌改性活性炭颗粒充当太阳能吸收剂,将阳光转化为热量。d) ABHs 的两个功能示意图:1) 将ABH 片剂直接浸入未净化的水中进行消毒使用(零能量输入);2) 在界面太阳能蒸发系统中利用抗生物污垢 ABH 来获得饮用水。 图2. ABH 的表征。a)制备的水凝胶形式的ABH 的照片;b) 冻干 ABH 的 SEM 图像显示孔径为 300-30 µm 的多孔结构,c) 活性炭颗粒(以黄色虚线圆圈突出显示)渗透到聚合物网络中,以及 d) 微米通道的横截面用于抽水。e)壳聚糖(CS)和邻苯二酚官能化壳聚糖(CCS)水凝胶溶液的紫外可见光谱。插图:儿茶酚的化学结构,以及冻干的CS 和 CCS 水凝胶的照片。f) CS、CCS 和 ABH 的FTIR 光谱。比例尺:a)1 cm;b,d) 200 µm;c) 20 微米。 图3. ABHs的水消毒性能。将 CS、CCS和 ABH 在常压和室温下以片剂形式直接浸泡在含菌水样中进行消毒性能比较,包括a)枯草芽孢杆菌、b)大肠杆菌和 c)铜绿假单胞菌。d) 琼脂平板显示细菌灭活性能在 0 分钟 (10 2-倍稀释)和 60 分钟(未稀释)。e) 60 分钟内每种细菌对 CS、CCS和 ABH 的杀菌效率和对数灭活情况。在消毒性能中,误差线代表三个重复测量的标准偏差,带有红色圆圈的数据点表示没有检测到活细菌。f) 水消毒性能与最先进的抗菌材料的比较。g) 总有机碳(TOC) 和总溶解固体 (TDS) 残留物以及 h) 原始去离子水和 ABH 浸泡 2 小时后去离子水的紫外-可见吸收。 图4. 基于ABH 的抗生物污染太阳能水蒸发器。a)CCS、ABH 的 UV-vis NIR 光谱,以及AM 1.5 G 倾斜太阳光谱的标准化太阳光谱辐照密度。b)相对于辐照时间的水、 CCS 和ABH 表面的温度。c) 1 太阳下水的质量损失。d) 照片显示了在含菌水 (37 °C) 中浸泡 0、5、15天后 ABH 的抗生物污染能力。e) 由于生物污染阻碍了水的运输,活性炭水凝胶堵塞了纯壳聚糖的内部通道。f)ABH 和含活性炭水凝胶的纯壳聚糖放置在含菌水中5天和 15 天前后的水分蒸发率。g) ABHs 在含菌河水中储存 3 个月后的持续时间测试。每天包括 6 小时的水蒸发率持续测试。h) ABH 的能量效率和水蒸发率以及先前报道的具有不同抗菌机制的研究。总之,研究人员通过聚合物骨架的分子修饰和原位凝胶化,制备了一种具有抗菌、抗生物污染、高水蒸发效率的抗菌水凝胶(ABH),其可用于水源的净化与长期使用的太阳能水蒸发器。通过将儿茶酚基团接枝到 CS 骨架上,儿茶酚的自动氧化会产生过氧化氢作为副产物,从而灭活水中的细菌。醌功能化活性炭颗粒通过与细菌蛋白质和代谢中的巯基反应,进一步加速杀灭细菌。当直接用作片剂时,ABH 在环境条件下以零能耗在 60 分钟内快速灭活 >99.999% 的细菌。作为简单易用的水消毒和防生物污损蒸发器材料,ABH利用过氧化氢和醌基作为通用抗菌剂,在家庭或社区规模的实际水处理方面展示了巨大的潜力。(文:阿权) 赞 (0) 相关推荐 瑞禧定制-壳聚糖/聚甲基丙烯酸/聚乙二醇接枝壳聚糖水凝胶 水凝胶因其具有三维网状结构且含有亲水基团,能够吸收大量的水分而溶胀,使水凝胶具有优良的保水性质.同时还有良好的生物相容性,能够广泛应用. 壳聚糖是由2-氨基-2-脱氧-葡萄糖通过1,4糖苷键连结的带正 ... 图解空气制水机原理 随着水资源的减少以及污染的加重,人们日常饮水安全问题受到威胁,那么如何获取更多更安全的饮用水? 一种简单的方法,就是使用空气制水机,它的工作原理是通过机器将空气中的水分分离出来,如利用压缩机将空气冷凝 ... 低密度天然丝纳米纤维气凝胶用于空气/水净化!过滤效率媲美KN95、3M口罩! 原创 高分子科学前沿 高分子科学前沿 前天 自从1931年首次提出气凝胶概念以来,这类材料凭借其超高表面积(>100 m2 g-1).超低热导率(低至12 Mw M-1 K-1)和超低体积密度( ... 正确使用硝化菌水和净化水之三 2种不能同时使用,一个星期使用一种产品,一个星期加入一次,不能过量,2种同时使用会导致过量鱼会死亡的. 湖北大学Xianbao Wang课题组--3D宏观氧化石墨烯/MXene体系结构用于多功能的水净化 太阳能驱动的界面蒸发是一种有效的经济技术,可将低级太阳能转换为高级蒸汽能.然而,同时具有高水蒸气产生能力和多功能水净化功能的太阳能水蒸发器的报道仍很少.在此,通过氧化石墨烯(GO)辅助工艺将2D Ti ... SCI汇编 | 水净化工程纳米材料面临的挑战与家庭水处理方案的选择 为了服务更多水行业工程技术人员,<净水技术>杂志社以我国一线水行业技术工作者对最新工程应用与实践的求知需求为出发,通过遴选,检索SCI中若干水行业知名期刊的最新学术论文,通过汇总.筛选.翻 ... 一年吃掉1200万个榴莲 新加坡把壳做成抗菌绷带 新加坡每年大约吃掉1200万个榴莲,无法食用的榴莲果壳通常会被丢弃和焚烧,造成环境污染.对此,科学家研发出一种新技术,利用榴莲废弃的果壳制造出环保.抗菌的水凝胶绷带. 近日,新加坡南洋理工大学一个研究 ... 正确使用硝化菌水和净化水之四 水L数的算法是:鱼缸长度x鱼缸宽度x鱼缸高度/1000=水L数哦 如果使用硝化菌水和净化水 1. 白浑雾蒙蒙的水 我们推荐硝化菌2. 浑浊很脏发黄的水 用净水剂3. 清澈发黄的水 用除黄滤材活性炭4. 发绿长藻 除藻剂 5.换完水建议使用除氯王 使用药剂必须增加氧气含 ... 顶刊《Adv Mater》综述:用于软机器人的3D打印材料 如今,增材制造已成为软机器人领域中完全集成的制造过程.尽管如此,在全打印的软机器人制造中仍然存在一些挑战.这些挑战可以分为两大类:i)搜索和开发软机器人技术所需的高性能材料:以及 ii)开发新的打印功 ... 清华大学《Adv Mater》:大范围正负热膨胀系数的机械超材料! 编辑推荐:本文介绍了一类2D分层超材料的设计理念和制造策略,该类超材料能够有效地将两种紧密堆积的组成材料之间的热不匹配,转化为巨大的双轴/单轴热膨胀/收缩.该研究中报道的分层超材料与先前的报告相比,能 ... 中科院-湖大Adv Mater:一种钙钛矿薄膜用于类视网膜视觉传感! 超薄柔性光电器件是一种新型材料(如二维材料和钙钛矿材料),由于其轻量化.超柔韧性和保形接触的特点,在可穿戴设备.柔性机器人.医疗监测等领域得到越来越多的关注.特别是钙钛矿材料,由于其物理性能优异,薄膜 ... 《Adv Mater》:一种用于燃料电池的耐用高功率无铂族金属阴极! 嵌入碳中的原子分散和氮配位的单金属位点(表示为MC),已成为有前景的质子交换膜燃料氧还原反应(ORR)阴极的无铂族金属(无PGM)催化剂.部分学者从理论上预测了MN4(M:Fe,Co或Mn)的组成部分 ... 哈工大《Adv Mater》:一种微结构超薄膜实现水蒸发高效净化! 太阳蒸发被认为是一种绿色,可持续的水修复策略,在海水淡化,消毒和淡水生产中具有广泛的应用.水蒸发是水-空气界面的吸热过程,水分子的能量在此过程中进行传输.因此,在水-空气界面处进行局部加热是提高太阳能 ... 《Adv Mater》:一种低成本的安全可持续锂离子-氧气电池! 自可充电锂-离子电池实现了从实验室规模到商业市场的成功先例开始,近些年来各种新型能量存储设备迅速出现.对于当今最先进的锂离子电池,由于其固有的工作机制导致其在能量密度方面没有质的飞跃.因此,追求高能量 ... 华中科大《Adv Mater》:一种简易新型工艺改善锂金属阳极性能! 编辑推荐:本文报道了利用一种可扩展的流延方法制备一种PIL薄层,从而在碳酸酯电解液中得到空气稳定,无枝晶,高效的锂金属阳极.该方法将有利于推动低成本.安全和高性能的锂金属电池的大规模生产. 随着对先进 ... 7.22 脑科学日报| Adv. Mater:非侵入性肠-脑口服给药系统用于治疗脑肿瘤 第1084期 脑科学日报 2021年7月22日 科 学 时 讯 1,[进展]凝血功能紊乱真的会引发精神病吗?这项发现可能为治疗精神病患者带来新突破! 来源:转化医学网 精神病,是一种严重的心 ... Adv Mater:新型微阵列快速捕获癌症细胞外囊泡 细胞外囊泡 (EV) 含有各种生物活性分子,如 DNA.RNA 和蛋白质,在调节癌症进展中起着关键作用.此外,与癌症相关的EV携带特定的生物标志物,可用于液体活检以检测癌症.然而,从复杂的生物流体(例 ...