水體污染已經(jīng)成為全球環(huán)境治理的重大問題之一，其中農(nóng)藥、醫(yī)藥、化妝品等有機污染物廢水尤其是治理難點！目前，工業(yè)上去除廢水中有機物最常用的方法之一就是活性炭吸附，該方法操作簡便、價格便宜，還可以將活性炭進(jìn)行脫附后重復(fù)使用。
同時，該方法也存在這樣一些問題：
1）吸附速度較慢；
2）對于相對親水的有機污染物去除效果不明顯；
3）活性炭再生需要消耗大量能量，成本較高，而且再生之后的吸附效果也會有所降低。
廉價、持續(xù)性地生成葡萄糖超分子大環(huán)來吸附有機物，不溶于水的高分子β-環(huán)糊精，貌似是一個不錯的新選擇。β-環(huán)糊精吸附有機污染物的原理是與有機物形成主-客體分子的復(fù)合物，然而，目前交聯(lián)型β-環(huán)糊精比表面積較低，去除效果難以和活性炭媲美！
有鑒于此，康奈爾大學(xué)的William R. Dichtel等人利用芳香基團(tuán)使β-環(huán)糊精交聯(lián)耦合，得到了一種比表面積高達(dá)250 m2/g的3D介孔β-環(huán)糊精高分子。
圖1. 親核芳族取代反應(yīng)制備介孔β-環(huán)糊精高分子
該材料對多種有機污染物的吸附速率常數(shù)是活性炭的15-200倍，在溫和條件下沖洗后可以多次重復(fù)利用而性能不發(fā)生明顯降低。通過和商業(yè)上領(lǐng)先的活性炭材料對比，這種β-環(huán)糊精高分子對實際環(huán)境中的有機污染物的去除表現(xiàn)出更好的性能。
研究人員表示，這種β-環(huán)糊精高分子材料易于工業(yè)化制備，成本低廉，經(jīng)過優(yōu)化可使價格達(dá)到5-25美元/千克，這是常用炭過濾器的價格的一半！該材料不僅可以在家庭水過濾方面使用，還有望用于工業(yè)廢水處理和生態(tài)修復(fù)，將極有可能取代活性炭成為下一代新型水處理材料！
圖2. 不同吸附材料對雙酚A的吸附速率對比
圖3. P-CDP對大多數(shù)有機污染物都有很高的吸附速率
圖4. P-CDP在實際水體中表現(xiàn)出比商業(yè)領(lǐng)先的活性炭材料更好的有機污染物去除性能
延伸閱讀：
環(huán)糊精(Cyclodextrin，簡稱CD)是直鏈淀粉在由芽孢桿菌產(chǎn)生的環(huán)糊精葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶作用下生成的一系列環(huán)狀低聚糖的總稱，通常含有6~12個D-吡喃葡萄糖單元。其中研究得較多并且具有重要實際意義的是含有6、7、8個葡萄糖單元的分子，分別稱為alpha -、beta -和gama -環(huán)糊精(圖1)。根據(jù)X-線晶體衍射、紅外光譜和核磁共振波譜分析的結(jié)果，確定構(gòu)成環(huán)糊精分子的每個D(+)- 吡喃葡萄糖都是椅式構(gòu)象。各葡萄糖單元均以1，4-糖苷鍵結(jié)合成環(huán)。由于連接葡萄糖單元的糖苷鍵不能自由旋轉(zhuǎn)，環(huán)糊精不是圓筒狀分子而是略呈錐形的圓環(huán)。
由于α-CD分子空洞孔隙較小，通常只能包接較小分子的客體物質(zhì)，應(yīng)用范圍較??；γ-CD的分子洞大，但其生產(chǎn)成本高，工業(yè)上不能大量生產(chǎn)，其應(yīng)用受到限制；β-CD的分子洞適中，應(yīng)用范圍廣，生產(chǎn)成本低，是目前工業(yè)上使用最多的環(huán)糊精產(chǎn)品。但β-CD的疏水區(qū)域及催化活性有限，使其在應(yīng)用上受到一定限制。為了克服環(huán)糊精本身存在的缺點，研究人員嘗試對環(huán)糊精母體用不同方法進(jìn)行改性，以改變環(huán)糊精性質(zhì)并擴大其應(yīng)用范圍。
本文主要參考以下資料，圖片和視頻僅用于對相關(guān)科學(xué)作品的介紹、評論以及課堂教學(xué)或科學(xué)研究，不得作為商業(yè)用途。如有任何版權(quán)問題，請隨時與我們聯(lián)系！
2. David Shultz. . A faster, cheaper water filter, thanks to sugar. Nature 2015.
