壳聚糖高被引综述论文0816丨江苏大学吴述平博士CS综述-壳聚糖基水凝胶在水与废水处理中的当前研究进展

壳聚糖

2025年2月12日，国际期刊《ChemistrySelect》在线发表了题为“Current Developments in Chitosan-Based Hydrogels for Water and Wastewater Treatment: A Comprehensive Review”的综述性论文。本文阐述了壳聚糖基水凝胶（Chitosan-Based Hydrogels）的改性合成技术、多领域水处理应用效能（污染物吸附、油水分离、海水淡化等），并分析其实际应用挑战与未来发展方向，强调该材料解决全球水污染问题的潜力。该论文自发表以来，现已被引用8次（Web of Science），2025年7月列为高被引用论文。《ChemistrySelect》是Wiley-VCH旗下期刊，主要刊登化学全领域（包括催化、材料、有机合成等）的研究成果。

第一作者：张子傲

通讯作者：吴述平

通讯单位：江苏大学

论文链接：https://doi.org/10.1002/slct.202404061

识别上方二维码访问论文原文

淡水短缺是可持续发展面临的一个关键问题，尤其是在降雨量有限的地区。开发可靠的水和废水处理技术刻不容缓。在现有方法中，吸附是一种高效、直接且经济高效的方法。它避免了使用额外的化学品，并降低了不良副产品污染水源的风险。壳聚糖基水凝胶（Chitosan-Based Hydrogels）因其对污染物和水的优异吸附能力而受到关注。这些材料还以其生物利用度、生物相容性、生物降解性、成本效益和环境友好性而闻名，使其成为水和废水处理的有前途的候选者。这篇全面的综述探讨了CS基水凝胶在各种应用中的应用的最新进展，包括污染物去除、油水分离、海水淡化和大气水冷凝。它强调了这种材料在废水处理中的好处，为研究界提供了对其潜力的更广泛了解。本文还重点介绍了这些水凝胶的合成和改性技术，如交联、接枝和离子印迹，这些技术显著提高了它们的吸附性能和机械稳定性。此外，还讨论了CS基水凝胶在实际应用中面临的挑战，以及潜在的解决方案。本文最后预测了该领域的未来方向，为研究人员提供了宝贵的见解。总体而言，本综述全面概述了用于水处理应用的CS基水凝胶的现状，为其在水和废水处理中的有效利用提供了宝贵的见解，并强调了它们应对全球水污染挑战的潜力。

水是人类生活和自然世界不可或缺的资源，尽管地球表面约70%被水覆盖，但全球仅有2.5%的水是淡水，其中可供使用的不足1%。过度开发、污染及气候变化等的共同作用加剧了对自然水资源的需求和污染，增加了水资源安全相关的脆弱性，根据Wang等人的一项全球综合评估预测，到2050年，超4000万平方公里的流域面积和30亿人口可能面临水资源短缺，未来清洁水资源短缺的主要热点地区预计将出现在中国、印度、欧洲、北美以及中非。工农业废水中强致癌性的有机染料、重金属、药物残留等水污染显著加剧水资源短缺，并对人类和其他生物构成重大威胁。新兴污染物的增加对传统水处理材料和方法构成挑战，传统方法常无法达到预期效果。这凸显了开发新型、高效且实用的策略以应对水中新兴污染物挑战的迫切性。在常规水处理方法中，吸附因其高效去除率、选择性、再生潜力和多功能性脱颖而出。在吸附过程中，水凝胶材料至关重要。传统聚合物对提升水处理性能（尤其是吸附）和降低成本具有重要意义。然而，合成聚合物水凝胶通常不可生物降解，且对环境有显著影响。

为应对此问题，开发由环境影响低的生物聚合物（如从可再生资源中分离的多糖）构成的新型水凝胶，提供了一类创新的先进材料，尤其在去除有机染料方面应用广泛。具体而言，基于壳聚糖（CS）的新型生物聚合物水凝胶为水处理应用提供了环保、经济、实用且多功能的替代方案。本综述探讨了CS基水凝胶的性质、制备方法及其作为创新高效生物活性材料在水资源和水处理领域的多样化应用，包括去除有机或无机污染物、油水分离、海水淡化以及作为淡水主要来源的大气集水。同时，分析了CS基水凝胶在这些应用中的处理效率和强化策略，探讨实际应用中的挑战与局限，并提出潜在解决方案。

一、壳聚糖基水凝胶的合成与制备

在废水处理领域，具有三维聚合物网络结构的水凝胶能够吸收并保留大量水分而不溶解。当水凝胶在含污染物的溶液中溶胀时，水分将污染物分子输送至水凝胶内部，并通过多种相互作用将其截留。

壳聚糖基水凝胶的制备方法主要包括物理交联与化学交联，两者可结合以实现特定性能需求。此外，辐射交联是传统技术，而近年发展出的新方法包括电化学沉积和离子印迹。本部分最后提出两种强化策略：接枝改性和复合型壳聚糖基水凝胶。

如图1所示，在制备过程中，阴离子聚电解质κ-卡拉胶（KC）的溶解增加了溶液粘度，从而促进难溶碳酸钙（CaCO₃）与壳聚糖（CS）的均匀分散，形成浆料混合物。随后，气态乙酸（CH₃COOH）的逐步渗透提高了H⁺浓度，促使CaCO₃释放Ca²⁺；同时H⁺与CS上的-NH₂发生质子化反应形成-NH₃⁺。继而分别通过：带正电的CS（-NH₃⁺）与KC的硫酸基（-OSO₃⁻）静电作用，形成KC/CS网络；Ca²⁺与KC的硫酸基离子交联，形成KC/Ca²⁺网络。双网络通过聚电解质复合物（PEC）作用互穿协同，最终构建出结构完整且均一的PCDNH双网络水凝胶三维结构。研究证实，利用金属离子交联与氢键协同、金属离子交联与静电作用协同或双金属离子同步交联等物理互作策略，可显著增强水凝胶的机械性能与吸附容量，拓展了物理水凝胶材料的应用潜能。

图1. PCDNH（KC/CS/Ca²⁺）物理双网络水凝胶的形成机理：通过聚电解质复合物（PEC）相互作用构建KC/CS和KC/Ca²⁺两个网络。

图2.(a) IICA水凝胶的制备示意图；(b)形成机理；(c) Cd²⁺吸附机理；(d)非印迹CS/SA水凝胶（NICA）与IICA水凝胶的吸附量对比；(e) IICA水凝胶的选择性吸附性能；(f)基于IICA水凝胶的比色传感器（IICAS）吸附不同浓度Cd²⁺后的照片。

如图3，凝胶化前采用溴化锂（LiBr）水溶液作为溶剂共同溶解纤维素与壳聚糖（CS）。所得软凝胶经无水乙醇浸泡去除LiBr，再生为纤维素-CS复合水凝胶，命名为CCG-x（x = 10, 20, 30，代表CS质量分数）。随后，通过FeCl₃水解原位合成β-FeOOH纳米颗粒（NPs），并将其锚定于纤维素-CS复合水凝胶的三维骨架上，所得材料命名为CCG-6Fe-x与CCG-9Fe-x（x取值同上）。

图3.(a)纤维素-壳聚糖/β-FeOOH复合水凝胶的制备流程示意图；(b) CCG-30的SEM图像；(c) CCG-9Fe-30的SEM图像；(d) CCG-9Fe-30表面的β-FeOOH纳米颗粒（NPs）；(e) CCG-9Fe-30截面内的β-FeOOH NPs分布。

二、壳聚糖基水凝胶在水与废水处理中的应用

催化还原法可有效去除有机染料，该方法能将污染物高效转化为更环保的化合物。例如，通过催化还原断裂刚果红（CR）分子中的偶氮键，可生成低毒高值产物。该过程常用贵金属纳米粒子（如金/Au、银/Ag、铂/Pt）作为催化剂。此外，壳聚糖（CS）自身兼具优异的吸附性能与共催化能力，同时可负载固定纳米粒子催化剂。谢等人利用上述特性，成功制备出高活性、稳定可循环的纳米粒子增韧水凝胶。该水凝胶具有疏水键交联与氢键交联的双网络结构（如图4），展现出卓越的拉伸强度（213 kPa）和韧性（13.1 MJ/m³）。其在催化降解亚甲基蓝（MB）与刚果红（CR）时表现出色，兼具多功能性、稳定性与可循环性：仅需5分钟即可降解MB与CR，循环使用10次后仍保持90%以上的催化效率。

图4.(a)p(AM/LMA)/SiO₂-NH₂/CS水凝胶交联网络形成示意图。(b)亚甲基蓝（MB）和(c)刚果红（CR）在p(AM/LMA)/SiO₂-NH₂/CS-Au催化作用下的降解效果对比图（左：降解前；右：降解后）。

石油泄漏和工业含油废水的排放是水污染的重要来源，对水体生态平衡和人类健康产生有害影响。近年来设计具有特殊浸润性（尤其是超浸润性）的功能材料受到广泛研究，水凝胶证书油水分离的理想涂层材料。Su等人采用原位自由基聚合法制备了水下超疏油p(AM-co-AA)/CS/MPS-SiO₂纳米复合水凝胶（SIPN-Gels）。为应用于油水分离，需通过二次原位聚合将其涂覆于不锈钢网（图5a）。该水凝胶具备低溶胀率、高抗拉强度、负载能力、自修复及快速自恢复特性，对多种油类分离效率＞99%，经50次循环后仍保持高效（图5b,c）。在极端环境（己烷/去离子水、己烷/1mol/L NaOH、己烷/1mol/L HCl、己烷/饱和盐水）下仍保持高稳定性与分离效率（图5d）。

图5.(a)复合水凝胶转化为水凝胶涂层网格的机制及其在油/水分离中的应用示意图。(b)不同类型液体（油与水）混合物的分离效率对比图。(c)己烷/水混合物的分离效率与渗透水通量数据图。(d)极端环境下混合物的分离效率：包括己烷/去离子水、己烷/1 mol/L NaOH、己烷/1 mol/L HCl、己烷/饱和盐水四组体系。

本文分析发现，CS基水凝胶在水处理领域最有效的应用是作为多功能吸附材料，其兼具以下特性：吸附友好结构（多官能团、三维网络结构等）；高吸附/解吸能力与效率；良好稳定性（机械与化学稳定性）；优异可重用性；低成本；高吸水性与持水能力；良好生物活性（抗菌、无毒、可生物降解）与环境友好性。此外，其独特的包封能力和智能响应特性，为开发选择性、多功能吸附装置提供了潜力，可调控污染物去除过程。尽管淡水资源短缺地区亟需饮用水，但关于CS基水凝胶吸附剂收集的淡水能否达到饮用水标准的研究仍较少。已知CS具有强抗菌活性，可杀灭水环境中的微生物。基于此，CS基水凝胶有望成为生产饮用水的可行途径。若结合当前成熟的水处理技术（如膜技术），更可能产出高品质饮用水。此外，当前研究多限于实验室单污染物体系，未来需在真实环境（多变pH、盐度、多污染物共存）中验证技术可行性。

Ziao Zhang, Yujie Lu, Yiman Zhao, Lijuan Cui, Chao Xu, Shuping Wu. Current Developments in Chitosan-Based Hydrogels for Water and Wastewater Treatment: A Comprehensive Review, ChemistrySelect, 10 (2025), https://doi.org/10.1002/slct.202404061.

识别上方二维码访问论文原文

撰稿：张子傲

编辑：环境与能源功能材料

审核：吴述平

张子傲（第一作者），江苏大学材料科学与工程学院，研究方向为生物质基功能材料的绿色制备与功能化设计。在ChemistrySelect, Separations等期刊上以第一作者发表SCI论文2篇，获学业奖学金一次。

吴述平（通讯作者），博士，副教授，硕士生导师。2014年获武汉大学化学与分子科学学院工学博士学位，2019-2020年赴加拿大阿尔伯塔大学任访问学者。现任Journal of Chemical Engineering Research Updates主编，主要研究方向为生物基高分子材料、农业废弃物高值化利用、生物可降解材料及纳米膜材料设计与制备。主持国家自然科学基金青年项目、国家博士后基金等科研课题，发表SCI论文70余篇（含4篇ESI高被引），H指数22，授权国家发明专利8项。主讲《材料分析化学》《仿生智能纳米材料》等9门专业课程，获2023年ScienceFather最佳研究者奖。

壳聚糖丨纤维素丨MOF材料丨石墨烯丨碳纳米管丨MXenes丨硫化钼丨催化材料丨蒸发材料丨吸附材料丨电极材料丨除磷材料丨产氢材料

2025年9月，国际TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的综述性论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述多功能和可持续壳聚糖基界面蒸发材料在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本文总结了壳聚糖基太阳能界面蒸发器（CS-SIE）四种类型（水凝胶、气凝胶、海绵和膜）、五种改性材料和在水污染控制中应用。最后，总结了CS-SIEs在际应用中仍面临挑战。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化学改性及其在生物、环境、制药、食品等领域的工业应用，最新中科院分区：8.50/二区TOP期刊。

识别上方二维码查看全文

2024年06月08日，国际期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Sustainable chitosan-based materials as hetrogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: an up-to-date review”综述论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述壳聚糖基异相催化剂在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本综述概述了金属氧化物/壳聚糖基复合材料（MOs@CSbMs）、金属硫化物/壳聚糖基复合材料（MSs@CSbMs）、铋基半导体/壳聚糖基复合材料（BibSCs@CSbMs）、金属有机框架/壳聚糖基复合材料（MOFs@CSbMs）和纳米零价金属/壳聚糖基复合材料（NZVMs@CSbMs）等5种Cat@CSbMs材料的制备策略及作为助催化剂、光催化剂、类芬顿试剂在处理各类废水中的应用进展。该综述不仅加深了对环境功能材料与环境污染控制作用的理解，也为未来Cat@CSbM在污染物吸附和富集、光催化氧化降解污染物和还原金属离子等相关领域的研究提供了参考和启示。该论文自2024年6月发表以来，现已被引用33次（Web of Science），2025年5月入选ESI高被引论文。其中被国外学者引用17次，国际引用占比51.5%。

识别上方二维码查看全文

2024年 12 月 24 日，国际期刊《 Separation and Purification Technology 》发表了 阳光净水课题组 题为 “Intriguing and boosting molybdenum sulfide (MoS 2 )-based materials for decontamination and purification of wastewater/seawater: An upgraded review” 综述论文。本综述全面总结了近6年（2018-）MoS2基材料（MoS2bMats）提高废水处理和水净化的有效改性策略，并重点阐述了MoS2bMats在环境污染物吸附、光催化降解和还原、Fenton高级氧化、PMS/PS活化氧化、废水脱盐（膜过滤和太阳能蒸发脱盐）等方面的应用。最后，讨论并提出了 MoS 2 bMats 理论研究与应用之间存在差距、工程挑战、未来的研究方向和机遇。 该论文自 2024 年 12 月线上发表以来，现已被引用 17 次（ Web of Science ），其中被国外学者引用25次，国际引用占比55.5%。

识别上方二维码查看全文

2025年 06 月 ，国际期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》发表了阳光净水课题组题为 “Sustainable chitosan-based adsorbents for phosphorus recovery and removal from wastewater: A review” 最新 综述论文。本文全面综述了用于废水中磷回收和去除的壳聚糖基吸附材料（CSMats）的性质、改性方法、影响因素。同时，总结了CSMats吸附去除水体磷的主要作用机理（氢键、静电作用、路易斯酸碱相互作用、配体/离子交换和表面沉淀作用）。此外，还归纳了CSMats的再生方法、连续流处理和在实际废水中应用。 最后，讨论了 CSMats除磷材料面临的挑战和未来发展方向。《 International Journal of Biological Macromolecules 》主要聚焦于天然大分子的化学改性及其在生物、环境、制药、食品等领域的工业应用，2025年6月最新影响因子/中科院分区： 8. 50/ TOP 期刊。该论文自 2024 年1 月线上发表以来，现已被引用4 次（Web of Science ），其中被国外学者引用3次，国际引用占比75%。

识别上方二维码访问原文

2024 年 1 月，国际期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊发表了阳光净水课题组题为 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的综述性论文。更清洁、更安全的环境是未来最重要的要求之一。与传统材料相比，壳聚糖具有丰富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和亲水性，是一种更环保的功能材料。由于壳聚糖分子链上丰富的 -NH2 和 -OH 基团可以有效地与各种金属离子螯合，壳聚糖基材料作为金属氧化物纳米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撑基质具有巨大的潜力。近年来，许多壳聚糖 / 金属氧化物纳米材料（ CS/MONM ）作为吸附剂、光催化剂、非均相类芬顿试剂和传感器，在环境修复和监测中具有潜在和实际的应用。本综述全面分析和总结了CS/MONMs复合材料的最新进展，这将为CS/MONMs复合材料的制备和废水处理应用提供丰富而有意义的信息，并有助于研究人员更好地了解CS/MONMs复合材料在环境修复与监测中的潜力。该论文自 2024 年 1 月线上发表以来，现已被引用50 次（ Web of Science ），其中被国外学者引用25次，国际引用占比50.0%。

识别上方二维码查看全文

2024 年 2 月，国际期刊《 Separation and Purification Technology 》发表了阳光净水课题组题为 “ A review on the process of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的综述性论文。污染物检测和水净化对于实现环境保护和资源利用非常重要。构建新型功能材料去除各种污染物也变得越来越重要和紧迫。本综述总结了磁性壳聚糖（M-CSbMs）的3种可靠制备策略（原位策略、两步策略和沉积后策略），并详细介绍了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金属离子、有机染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低浓度污染物等方面的研究进展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面临的挑战和前景，以期促进其在水净化和固相萃取污染物方面的实际应用。该论文自 2024 年 2 月发表以来，现已被引用 35 次（ Web of Science ）。

识别上方二维码查看全文

声明： 1 、公众号分享国际环境与能源功能材料【生物质（壳聚糖、纤维素、木质素、海藻酸等）功能材料、太阳能蒸发材料、新型吸附材料、碳基（石墨烯、碳纳米管、碳量子点、生物炭、富勒烯等）材料、 MOFs/HOFs/COFs 材料、光催化材料、 Fenton 材料、产氢材料等相关前沿学术成果，以及其它相关数据处理方法、论文写作和论文投稿等信息，无商业用途。本公众号尊重原创和知识产权人的合法权利。如涉及侵权，请立刻联系公众号后台或发送邮件，我们将及时修改或删除。 2 、部分图片和资源来源网络或转摘其它公众号！凡注明 " 来源： xxx （非本公众号） " 的作品，均转载自其它媒体，转载目的在于传递更多信息，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责，且不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。 3 、外文文献翻译目的在于传递更多国际相关领域信息。外文文献由课题组研究生翻译，因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大家批评指正。 4 、欢迎环境与能源材料相关研究成果提供稿件，环境与能源功能材料公众号将会及时推送。联系邮箱： 99282304@qq.com 。 5 、欢迎投稿，本公众号免费推广。联系微信号： 18358609860 。

课题组主页：

https://www.x-mol.com/groups/qiwang

https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue

识别上方二维码访问课题组