Nature：有机废水处理神器—β-环糊精！

水体污染已经成为全球环境治理的重大问题之一，其中农药、医药、化妆品等有机污染物废水尤其是治理难点！目前，工业上去除废水中有机物最常用的方法之一就是活性炭吸附，该方法操作简便、价格便宜，还可以将活性炭进行脱附后重复使用。

同时，该方法也存在这样一些问题：

1）吸附速度较慢；

2）对于相对亲水的有机污染物去除效果不明显；

3）活性炭再生需要消耗大量能量，成本较高，而且再生之后的吸附效果也会有所降低。

廉价、持续性地生成葡萄糖超分子大环来吸附有机物，不溶于水的高分子β-环糊精，貌似是一个不错的新选择。β-环糊精吸附有机污染物的原理是与有机物形成主-客体分子的复合物，然而，目前交联型β-环糊精比表面积较低，去除效果难以和活性炭媲美！

 

有鉴于此，康奈尔大学的William R. Dichtel等人利用芳香基团使β-环糊精交联耦合，得到了一种比表面积高达250 m²/g的3D介孔β-环糊精高分子。

 

图1. 亲核芳族取代反应制备介孔β-环糊精高分子

该材料对多种有机污染物的吸附速率常数是活性炭的15-200倍，在温和条件下冲洗后可以多次重复利用而性能不发生明显降低。通过和商业上领先的活性炭材料对比，这种β-环糊精高分子对实际环境中的有机污染物的去除表现出更好的性能。

研究人员表示，这种β-环糊精高分子材料易于工业化制备，成本低廉，经过优化可使价格达到5-25美元/千克，这是常用炭过滤器的价格的一半！该材料不仅可以在家庭水过滤方面使用，还有望用于工业废水处理和生态修复，将极有可能取代活性炭成为下一代新型水处理材料！

图2. 不同吸附材料对双酚A的吸附速率对比

图3. P-CDP对大多数有机污染物都有很高的吸附速率

图4. P-CDP在实际水体中表现出比商业领先的活性炭材料更好的有机污染物去除性能

 

延伸阅读：

 

环糊精(Cyclodextrin，简称CD)是直链淀粉在由芽孢杆菌产生的环糊精葡萄糖基转移酶作用下生成的一系列环状低聚糖的总称，通常含有6~12个D-吡喃葡萄糖单元。其中研究得较多并且具有重要实际意义的是含有6、7、8个葡萄糖单元的分子，分别称为alpha -、beta -和gama -环糊精(图1)。根据X-线晶体衍射、红外光谱和核磁共振波谱分析的结果，确定构成环糊精分子的每个D(+)- 吡喃葡萄糖都是椅式构象。各葡萄糖单元均以1，4-糖苷键结合成环。由于连接葡萄糖单元的糖苷键不能自由旋转，环糊精不是圆筒状分子而是略呈锥形的圆环。

由于α-CD分子空洞孔隙较小，通常只能包接较小分子的客体物质，应用范围较小；γ-CD的分子洞大，但其生产成本高，工业上不能大量生产，其应用受到限制；β-CD的分子洞适中，应用范围广，生产成本低，是目前工业上使用最多的环糊精产品。但β-CD的疏水区域及催化活性有限，使其在应用上受到一定限制。为了克服环糊精本身存在的缺点，研究人员尝试对环糊精母体用不同方法进行改性，以改变环糊精性质并扩大其应用范围。

 

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1. Alaaeddin Alsbaiee, Damian E. Helbling, William R. Dichtel et al. Rapid removal of organic micropollutants from water by a porous β-cyclodextrin polymer. Nature, 2015.

2. David Shultz. . A faster, cheaper water filter, thanks to sugar. Nature 2015.