合成染料广泛用于各种行业，但对水体构成严重的污染问题。这些染料不仅有毒，而且在环境中长期存在不降解。大多数从水中去除合成染料的方法都是基于吸附——一种化学分子与称为吸附剂的基材表面结合的现象。碳基系统通常被用作吸附剂，但它们受限于对使用过的吸附剂的安全处置途径的需求以及无法重复使用该材料。许多聚合物也作为吸附剂进行了研究，但它们的水溶性和稳定性较差。

最近，一个国际研究团队——包括台湾国立成功大学的 Wei-Hsin Chen 教授——开发了一种新型环保且可重复使用的纳米复合材料解决方案，用于去除废水中的有毒染料。

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“羧甲基纤维素 (CMC) 是一种廉价的纤维素衍生物，易于生产、环保且具有生物相容性。但它的热性能和机械性能相对较差。在我们的研究中，我们通过将其与聚丙烯酸 (PAA) 结合成功地改进了 CMC ). 制备的材料可以成为废水处理中离子污染物的有效吸附剂，”陈教授说。

CMC 是一种从天然纤维素中提取的具有良好特征的廉价聚合物，天然纤维素是一种在植物和微藻（如小球藻）中发现的丰富聚合物。在这项研究中，研究人员将 CMC 与 PAA（一种亲水、无毒且安全的聚合物）相结合，并在所得水凝胶中加载氧化石墨烯。最后，通过对这些水凝胶进行反复的洗涤和冷冻干燥循环，他们将水凝胶转化为“气凝胶”，这是一种多孔固体网络，含有具有高吸附能力的气穴。

然后，研究小组使用场发射扫描电子显微镜和实验室技术对气凝胶进行了表征，发现不同水平的氧化石墨烯在气凝胶内产生了不同大小的孔隙。他们发现添加氧化石墨烯增加了纳米复合水凝胶的比表面积和热稳定性。他们还发现水凝胶的孔径随着氧化石墨烯浓度的增加而减小。此外，本研究开发的气凝胶具有吸附250 分钟后亚甲基蓝的吸附容量为 138 mg/g，这是文献报道的最高亚甲基蓝吸附容量之一。

陈教授表示：“本研究开发的吸附剂既环保又具有成本效益，表明其在去除废水中的阳离子染料方面具有很高的应用潜力。”

最后，研究人员发现，即使经过九次使用和再生循环，新水凝胶仍保留了约 90% 的吸附能力。

然后，他们想研究水凝胶高吸附能力背后的机制，因此他们进行了密度泛函理论 (DFT) 模拟。他们的模拟结果表明，亚甲基蓝与氧化石墨烯的结合比与 CMC 或 PAA 的结合更强。他们还发现，亚甲基蓝在纳米复合材料中的氧化石墨烯上的吸附是通过 π 电子键、氢键和静电相互作用发生的。

本研究中制备的纳米复合水凝胶提供了一种环保、稳定、高效和可重复使用的吸附材料，可去除废水中的合成染料，改善环境和人类健康。