近日，中国科学院理化技术研究所仿生材料与界面科学重点实验室研究人员提出了一种全新的表面异质纳米结构化颗粒全分散策略，制备出全分散的亲水-疏水异质微球，这些微球在水、乙醇、辛烷等一系列溶剂中展示出全分散的优异性能，成功从废水中回收有机染料。该微球材料在环境污染物处理、资源回收利用、海洋资源富集提取、生物分子检测等复杂样品的分离分析领域具有广泛应用前景。相关研究成果发表于《自然-通讯》。
论文通讯作者、中国科学院理化技术研究所研究员王树涛介绍，在回收有机染料的过程中，只需加入有机溶剂，无需加入含有无机酸、碱或盐的洗脱液。有机溶剂很容易通过简单的蒸馏从染料中去除，避免了去除无机酸、碱和盐的复杂步骤。
全分散的亲水-疏水异质微球。中国科学院理化技术研究所供图
有机染料是一种常用的色彩添加剂，被广泛应用于工业、科研和日常生活的方方面面。染料让我们的服饰、食品、日用品绚丽多彩；染料在显微镜下发光实现成像，帮助我们揭示微观世界的奥秘。有数据表明，全球有机染料的产量达到70万吨/年，其中近10%-15%被排放到工业和家庭废水中，已成为水污染的重要源头，对生态环境和公众健康构成威胁。
现有染料废水的处理方法，如混凝-絮凝法、生物降解法，可以去除废水中大部分有机染料，然而这些方法依然面临染料去除不彻底、适用染料种类有限、产生的淤泥容易造成二次污染等问题。
近年来，随着纳米技术、材料科技的迅猛发展，涌现出一些新兴的材料与染料废水处理技术，包括催化氧化、纳滤和多孔颗粒吸附。催化剂、膜和吸附材料在完成染料废水处理后可重复使用，然而染料的回收很少被重视。究其原因，在有机染料脱附过程中，通常在水溶液中加入含有无机酸、碱或盐的洗脱液，使有机染料的回收过程更加复杂。
王树涛团队提出了乳液界面聚合合成异质结构微球的新方法，并在其高效分离应用上取得了一系列创新性成果。他们发展了多种乳液界面聚合合成方法，制备出一系列具有不同尺寸、化学组成、孔隙、表面纳米结构的异质微球，实现了复杂生物流体中痕量糖肽的分离、相近尺寸蛋白的分离、病毒核酸分离、癌症病人外周血中痕量循环肿瘤细胞的分离、水中痕量微油滴的分离等，构筑了色谱柱、微分离柱、微流控、纸色谱等分离器件。基于这些研究成果，他们还曾受邀撰写综述文章。
“这么多年来团队一直尝试利用界面化学设计来解决分离技术中‘根材料’创制的难题，终于在分离微球材料上取得了突破。”王树涛说。
论文第一作者、中国科学院理化技术研究所研究员宋永杨介绍，此次研发的亲水-疏水异质微球表面具有交替的亲水、疏水成分，这种结构既有利于水等高极性溶剂的铺展，又有利于乙醇等中等极性溶剂、辛烷等低极性溶剂的铺展。此外，在亲水区，带电基团很容易被引入，这些基团能为颗粒间提供静电排斥作用，从而在不同溶剂中实现良好的分散。
正是利用这种独特的全分散性，该团队发展出从含有机染料的废水中分离回收染料的策略。染料在水中被吸附到微球上，通过过滤得到净化的水与吸附了染料的微球，再将这些微球分散到有机溶剂中实现染料的脱附，通过过滤得到溶解了染料的有机溶剂，染料通过蒸馏被回收，同时微球被循环利用。
该研究得到国家自然科学基金重点项目、科技部国家重点研发计划等的资助。
王树涛。中国科学院理化技术研究所供图
（来源：中国科学报 倪思洁）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41053-8
