四川大学郭俊凌、王晓玲等AM：基于多酚介导的木屑界面相互作用，实现微塑料的流式捕获！

纳米/微塑料在水体中积累，对生态系统和人类健康构成越来越大的威胁。现有水净化策略在纳米/微塑料的情况下，具有较大的局限性（形态、成分和尺寸）。

在这里，来自四川大学郭俊凌、王晓玲/英属哥伦比亚大学Orlando J. Rojas团队报道了一种高效的生物基流通捕获材料（bioCap），用于从水中去除广谱的纳米/微塑料：聚对苯二甲酸乙二醇酯（阴离子，不规则形状）、聚乙烯（净中性，不规则形）、聚苯乙烯（阴离子和阳离子，球形），以及其他阴离子和球形颗粒（聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯和聚氯乙烯）。作者展示了高效的bioCap系统，可以吸附饮料袋中释放的无处不在的颗粒，并且探究了微纳米/微塑料在体内的生物分布，证实了颗粒在主要器官中的积聚显著减少。该论文以“Flowthrough Capture of Microplastics through Polyphenol-mediated Interfacial Interactions on Wood Sawdust”为题目发表在Advanced Materials上。

图1 用多酚对木屑进行表面功能化和NMP捕获过程的示意图

bioCap的制备与基本性能

木屑和多酚具有优异的化学和物理稳定性，含有纤维素、半纤维素和木质素的分级排列的原纤维有助于有效的水运输。作者使用天然多酚（单宁酸，TA）对得到的木材进行了改性。由于TA中三羟基苯基含量高，分子间作用力例如 π-π相互作用、静电相互作用等预计增强TA与木屑基质之间的黏附力（图1a）。TA分子进一步与金属离子互连，形成具有超分子纳米涂层的bioCap。作者使用的常见NMP，以证明引入的bioCap的通用去除能力（图1a）。作者证实了通过bioCap可以有效的捕获NMP，并且在多酚介导的表面功能化中对木屑的形态和微观结构没有明显影响（图1）。

图2 具有多维性的NMPs和使用bioCap的NMPs的流通去除效率

BioCap的NMP捕捉性能

本工作中使用的NMP在环境中经常被检测到，包括聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚乙烯（图2）。结果表明bioCap其具有优异的流通NMP去除效率（%），PS、PMMA、PVC、PP、PET、PE和PVC分别达到99.9、96.2、99.7、99.3、95.2和99.8（图2）。作者进一步探究发现除静电相互作用外，其他类型的界面分子相互作用有助于NMP的捕获。众所周知，多酚通过不同的相互界面相互作用附着在各种分子上，这是因为它们具有不同的邻苯二酚或没食子酰基。多酚还赋予bioCap富含芳香环的表面，作为碳链NMP主链（即PS、PE、PVC和PP）的疏水性基质。上述结果证明了bioCap作为非特异性（尺寸和表面电荷）材料的通用NMP捕获能力。

图3 bioCap的NMP捕获性能

作者研究了有机污染物（腐殖酸）对其去除性能的影响。结果表明，当处理被腐殖酸污染的含NMP的水时，bioCap表现出优异的去除效率（平均99.2%）。此外bioCap在去除覆盖有细菌产生的生物膜的塑料纳米颗粒方面同样具有优越的性能（图3c）。同时bioCap在复杂环境（具有常见的共阳离子和阴离子、重金属离子和无机颗粒，包括Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl−、NO3−、Cr3+、Pb2+、Cu2+、SiO2和Al2O3）中也具有较高的适用性。从水中去除的效率没有受到明显影响，其性能与不存在共存离子时的性能相似（图3d）。

尽管在给定的pH下，净NMP表面电荷和由此产生的静电吸引发生了变化，但在pH 5和8之间没有观察到捕获性能的显著下降（图3e）。NMP表面电荷在不同pH值下的差异以及随着离子强度的增加屏蔽效应可能会影响静电相互作用。然而，这样的变化对捕获性能没有明显的影响。结果表明，NMP捕获效率不取决于任何特定的相互作用（即静电相互作用）。相反，它是bioCap赋予的多重协同作用的结果。作者的研究结果表明，在处理复杂和真实的环境时，不同捕获机制的影响能够实现可靠和稳定的捕获性能，在这些环境中，某些吸附相互作用可能会受到抑制。而将流速从0.4 ml min−1增加到1.6 ml min−2，以去除浓度为1 mg/L的PS（1μm）。bioCap系统仍然表现出稳定的去除性能（在400床体积下的去除效率为97.5%）。证明了该材料具有产业化潜力。

图4 荧光标记的NMP和商业茶包在典型日常使用后释放的NMP的去除性能。

NMP的捕获性能和NMP在器官中的分布

尺寸较小的NMP具有更高的表面积和更高的穿透血脑屏障的概率，从而在器官中积聚，对人类健康造成更大的风险。因此，作者试图证明NMP的积累是否以及在何处发生在小鼠器官中，以及去除较小尺寸NMP的必要性。并且研究了bioCap去除较小尺寸（110nm）NMP的能力。结果表明bioCap具有有效的捕获能力，并导致NMP在器官中积累较少（图4b），具有了97.6%的高去除效率，这验证了塑料纳米颗粒（110nm）具有优异的bioCap性能（图4c）。

商业袋泡茶中释放的NMP的捕获性能研究

作者研究了bioCap对在热水（95°C）中浸泡30分钟后从PP基袋泡茶（表示为PP1和PP2）中浸出的颗粒（图4d）的去除能力。纯化后，在PP1和PP2茶包浸泡的分散体中未观察到廷德尔效应，表明NMP的有效捕获（图4f）。PP1和PP2系统的去除效率分别为99.6%和98.21%（图4g）。这些结果证明了bioCap捕获尺寸小于1的NMP的优异能力。

总结：bioCap的开发为制备可持续、廉价、环保和易于制造的水净化材料提供了新的策略。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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