用于快速水消毒和可持续太阳能蒸汽生成的水凝胶分子工程

【摘要】

饮用不安全的水是发展中地区发病率和死亡率的主要原因。巴氏杀菌或沸水去除病原体是能源密集型的，对于离网社区来说通常是不切实际的。因此，迫切需要低资本成本、快速和节能的水消毒方法来应对安全用水的全球挑战。最近，具有儿茶酚启用的分子级过氧化氢发生器和醌锚定活性炭颗粒的抗菌水凝胶 (ABH) 设计用于有效的水处理。通讯作者是德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授。杀菌作用归因于过氧化氢和醌基团的协同作用，以攻击必需的细胞成分并干扰细菌代谢。

ABHs 可以直接作为片剂使用，在 60 分钟内达到 >99.999% 的水消毒效率，无需能量输入。在处理过程中不会形成有害的副产物，之后可以轻松去除 ABH 片剂，无残留。利用其优异的光热和抗生物污染特性，ABHs还可以用作太阳能蒸发器，在含细菌的河水中储存和运行数月后，在阳光下（≤1 kW m-2）实现稳定的水净化。ABH 平台为偏远地区的使用点水处理技术和紧急救援应用提供了更低的能源和化学品需求。相关论文以题为Molecular Engineering of Hydrogels for Rapid Water Disinfection and Sustainable Solar Vapor Generation发表在《Advanced Materials》上。

【图文解析】

为了克服当前水处理技术中的这些挑战，团队开发了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)（图 1a）。由空气和水中的 O2 触发的儿茶酚基团的自发氧化（图 1b）导致 H2O2 从作为广泛作用消毒剂的大块水凝胶网络逐渐释放。

图1 用于水消毒和净化的抗菌水凝胶 (ABH) 的示意图。

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（图 1c）。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%）（图 1d）。消毒后，药片被简单地去除，不会在水中留下化学杂质。

ABHs 的制备分为两步：首先，通过壳聚糖 (CS) 和 3,4-二羟基苯甲醛之间的一步还原胺化反应合成 CCS；然后，含有 QAC 颗粒分散体的 CCS 溶液经历了原位凝胶化过程。所制备的 ABH 是黑色和海绵状水凝胶（图 2a）。扫描电子显微镜 (SEM) 显示了 ABH 的多孔结构, 孔径范围为 30 到 300 µm (图 2b)。在更高的放大倍数下，QAC 颗粒在数百纳米到几微米之间，并穿透凝胶的 CSS 网络（图 2c）。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 颗粒与含菌水接触 ，因为水凝胶中的微通道有助于消毒过程的高表面积（图 2d）。

图2 ABH 的表征。

团队接下来检测了 ABH 的水消毒性能。首先，在常压和室温下，将ABHs直接放入含细菌的水中。对于所有实验，与含细菌水相关的 ABH 质量为 6 mg mL-1。最初测试了两种代表性细菌，革兰氏阳性、孢子形成 枯草芽孢杆菌（B.subtilis） 和革兰氏阴性大肠杆菌（E.coli），因为它们在大多数未经处理的水源中普遍存在（图 3a、b）。结果显示在 60 分钟内消除铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）的效率为 99.9999%（6 log 灭活）（图 3c、e），表明 ABH 可用于灭活多种细菌。琼脂平板显示了枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌细胞的灭活结果，揭示了 ABH 在室温和环境压力下的水消毒效果（图 3d）。ABH 在零能量输入环境条件下的整体消毒性能（对数灭活和响应时间）将它们列为迄今为止性能最好的抗菌材料（图 3f）。通过以下方法直接测试了化学残留物和纳米颗粒浸出的存在将 ABH 片放入去离子水中，然后使用滤勺取出 ABH 片后，所得水中的总有机碳 (TOC) 和总溶解固体的增加可以忽略不计（图 3g）。原始和ABH 浸泡的去离子水进一步证实消毒后没有化学杂质残留 (图 3h). 因此, ABH 有可能增强或取代当前的消毒方法。

图3 ABHs的水消毒性能。

除了对水进行快速消毒，ABH 还可以用作高效的太阳能蒸发器，以解决太阳能蒸馏系统中常见的生物污染问题。QAC 粒子与 CCS 网络的整合不仅增强了抗菌能力，而且赋予 ABH 在 200 至 2500 nm 的宽波长范围内具有出色的太阳能吸收（> 98%）（图 4a）。然后通过在一次阳光照射下追踪顶部水凝胶表面和底部大量水的温度来评估 ABH 的光热响应（图 4b）。通过调整 ABH 中 QAC 颗粒的浓度，平均水蒸发率达到 3.4 kg m-2 h-1，大约是纯水蒸发率的 9 倍（图 4c）。与目前报道的具有不同抗菌或抗生物污垢机制的界面太阳能蒸汽发生系统相比，ABH 太阳能蒸发器在一个太阳下表现出最高的太阳能对水的效率（图 4h）。

图4 基于 ABH 的抗生物污垢太阳能蒸发器。

【总结】

该团队已经证明，聚合物骨架的分子工程和原位凝胶化提供了一种简单的途径，使水凝胶具有抗菌、抗生物污垢和光热能力，用于水消毒和长期太阳能蒸馏。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，从而使水中的细菌失活。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。使用真实的河流、小溪和大学建筑循环水来证明 ABH 对细菌灭活和水净化的功效。作为简单易用的水消毒和防生物污染蒸发器材料，ABHs利用过氧化氢和醌基团作为通用抗菌剂，为家庭或社区规模的实际水处理提供了巨大的潜力。

参考文献：

doi.org/10.1002/adma.202102994

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