提到水汙染問題，大家一定深有感觸。隨著工業化進程的加快，工業生產過程中產生的大量工業廢水以及由此而引發的水汙染問題嚴重危害著人類的健康，也對生態平衡與環境造成了不可估量的損失。因此，解決水汙染問題也成為建設生態文明社會所急需面對的問題。據科學研究表明，富碳氣凝膠材料由於其質輕、比表面積大、抗黴變等優異性能，成為去除汙水中汙染物分子的理想吸附劑。
在2017年，西安工業大學周宏偉教授團隊發展了一種以柚子皮內層組織（PP）和水為原料的生物質衍生海綿狀碳質氣凝膠材料(CS)。經過模擬實驗，該材料只需要幾十秒就可以去除模擬廢水中的染料分子。接下來，就讓我們一起來看一下週宏偉教授的這項成果。
對模擬廢水中汙染物有快速、高效的吸附能力
周宏偉教授團隊發展的這種氣凝膠材料具有多級孔結構，且對模擬廢水中有機汙染物如亞甲基藍（MB），甲基橙(MO)，結晶紫(CV)具有快速且高效的吸附能力。
Fig.1
2017年9月，周宏偉教授團隊的該項工作已經在線發表於《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》上。
Fig. 2
據悉，該工作首先研究了柚子皮內層蓬鬆組織和衍生碳質氣凝膠的微觀結構。通過研究發現，柚子皮內層組織由不規則的薄壁組織和嵌入其中的導管組成。在經過一步溫和水熱處理之後，
蓬鬆的柚子皮內層組織轉變為有一定彈性的黑色碳質水凝膠，進一步冷凍乾燥過程將水凝膠轉變為海綿狀的棕黑色碳質氣凝膠。該氣凝膠的密度可低至15 mg/cm3。SEM表徵結果表明這種衍生氣凝膠具有多級孔結構。在低放大倍數下可以觀察到該碳質氣凝膠由薄片狀多孔結構組成，孔徑在幾十到幾百微米。進一步對薄片結構進行精細觀察發現孔壁由含碳球網絡組成。
Fig. 3
但是，由於這種碳質氣凝膠沒有完全碳化，在其表面含有豐富的反應性官能團，如羥基、羧基等，可以作為基體材料實現功能化複合。在本工作中，研究人員嘗試利用原位溶劑熱法將Fe3O4納米粒子引入該網絡中，成功構築了磁性碳質氣凝膠（MSC）。研究發現，通過一系列表徵證明了Fe3O4納米粒子的成功引入。和純碳質氣凝膠相比，磁性碳質氣凝膠的孔壁變厚，上邊附著了一層直徑約為150 nm的Fe3O4磁納米粒子，但是多級孔結構被很好地保留。
Fig. 4
此外，研究還發現，碳質氣凝膠含有的大量官能團和多級孔結構也為有機汙染物分子的吸附提供了有力保障。以碳質氣凝膠作為吸附劑，將分別含有亞甲基藍（MB），甲基橙(MO)，結晶紫(CV)的模擬廢水經注射器過濾，發現從注射器流出的液體呈無色透明狀，說明溶液裡面的大部分染料分子被成功去除。這一過程只需要幾十秒便可完成。
通過進一步研究發現，這種碳質氣凝膠對MB，MO和CV的平衡吸附量可以分別達到0.0769 g/g，0.2218 g/g和1.0384 g/g，使用過的氣凝膠材料經進一步水熱處理和凍幹再生之後對三種染料分子的吸附能力可以分別達到0.0640 g/g，0.0736 g/g和0.2280 g/g。對於磁性碳質氣凝膠，還可以在吸附有機分子之後利用外加磁場實現方便的固液分離，其對MB，MO和CV的平衡吸附量可以分別達到0.0635 g/g，0.0977 g/g和0.8634 g/g，再生之後的吸附量可以分別達到0.0410 g/g, MB 0.0552 g/g和0.2103 g/g。
總而言之，本工作發展了一種可再生生物質衍生低成本、多級孔結構碳質氣凝膠的製備方法。據悉，這種特殊的結構不僅使該碳質氣凝膠在水中有機分子吸附方面有很好的應用前景，而且提供了一個製備功性能複合材料的平臺。經過進一步轉化或功能化，該類材料也可應用於
氣體過濾、超級電容器、催化、相變儲能等方面。周宏偉教授團隊的該項工作也得到了國家自然科學基金、陝西省自然科學基礎研究計劃、陝西省青年人才託舉計劃、西安工業大學科研啟動基金的支持！
周宏偉被授予“陝西省化學優秀青年”獎
周宏偉教授個人簡介：
周宏偉，1987年出生，博士學位，教授，碩士生導師。目前在西安工業大學材料與化工學院從事教學與科研工作，主要講授《高分子化學》、《功能高分子材料》、《科技應用文寫作》、《高分子先進合成方法》等課程。周宏偉教授的主要研究領域為功能水凝膠材料及其3D打印技術。近年來，周宏偉教授先後入選陝西省普通高校青年傑出人才支持計劃培育項目、西安工業大學“青年英才”。先後獲得了“2016年度陝西省化學優秀青年獎”獎、西安工業大學青年教師獎勵基金。
西安工業大學材料與化工學院概況：
周宏偉教授來自西安工業大學材料與化工學院。西安工業大學材料與化工學院始建於1979年。目前，材料與化工學院有博士後流動站1個（材料科學與工程）；一級學科博士授權點1個（材料科學與工程）、二級學科博士授權點3個（材料加工工程、材料物理與化學、材料學）；一級學科碩士授權點1個（材料科學與工程）、二級學科碩士授權點3個（材料加工工程、材料物理與化學、材料學）、專業碩士領域（材料工程）；本科專業5個（金屬材料工程、高分子材料與工程、材料物理、材料化學、環境工程）。材料與化工學院現有教職工111人，高級專業技術職務佔專任教師人數的50%，具有博士學位教師佔專任教師人數的66%。
周宏偉教授僅僅是西安工業大學雄厚師資隊伍的一個縮影。經過60多年的發展，西安工業大學目前有教職工1800餘人，其中教授、副教授近600人，具有博士學位的近500人。有國家級教學團隊1個，省級教學團隊25個，陝西省教學名師14人。有全國優秀教師、全國師德先進個人2人；有“千人計劃”專家4人；有享受國務院政府特殊津貼專家12人、省級突出貢獻中青年專家2人、三秦人才津貼專家15人；有入選教育部優秀青年教師資助計劃、省“三五人才工程”、省重點領域頂尖人才及省“四個一批”人才5人；其他省部級及以上人才稱號20餘人。陝西省重點科研團隊2個，陝西省科技領軍計劃1人。這樣一支實力強勁的師資隊伍，必將為學校建設高水平大學的目標以及推進本科教學改革與建設貢獻更多力量。
注：文中素材整理自西安工業大學官網、高分子科技官微。
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