甲氧苄啶（TMP）作为一种广泛使用的磺胺类抗生素，在水体中残留会诱导细菌产生耐药性，威胁生态环境与人类健康。现有吸附剂多为微纳米颗粒，存在易流失、回收难等问题，而三维多孔吸附剂（如沸石、树脂）存在机械强度不足等问题限制了实际应用。研究团队创新性地将羧甲基化木质素引入聚乙烯醇缩甲醛海绵（PVF），通过醚化反应制备出羧甲基木质素海绵（PLNC）。该材料不仅保留了PVF的高机械强度和多孔结构（孔径约10 μm），还引入了丰富的羧基官能团，显著提升了对TMP的吸附亲和力。
研究结果表明，PLNC对TMP的吸附容量达0.147 mmol/g，是未改性PVF海绵的36.75倍，且在pH 4-10范围内保持稳定吸附性能。通过分子探针实验结合密度泛函理论（DFT）计算，团队揭示了其核心吸附机制：（1）PLNC中去质子化羧基（-COO⁻）与TMP氨基嘧啶环的芳香氮原子形成强静电吸引作用；（2）在中性至碱性条件下，羧基与TMP氨基氮形成电荷辅助氢键，贡献随pH升高逐渐增强；（3）木质素芳香环与TMP三甲氧基苯环间的π-π电子供受体作用，稳定贡献约20%的吸附量。值得注意的是，TMP分子中的三甲氧基苯结构通过共轭效应增强了芳香氮的电子云密度，进一步强化了与PLNC的静电作用，这是其吸附性能优于同类材料的关键。
PLNC海绵展现出良好的实际应用前景，在5次吸附-解吸循环后，质量损失低于10%，吸附效率仍保持85%以上；动态吸附柱实验中，处理水量达40×103 BV倍床体积时，出水TMP浓度仍可控制在初始浓度的50%以下。此外，该材料在黄河水、贾鲁河等实际水体中对TMP的去除率超过80%，且无明显溶出物，生物毒性低。本研究为探索三维多孔海绵吸附剂的应用潜力提供了新的视角和前景。
研究结果表明，PLNC对TMP的吸附容量达0.147 mmol/g，是未改性PVF海绵的36.75倍，且在pH 4-10范围内保持稳定吸附性能。通过分子探针实验结合密度泛函理论（DFT）计算，团队揭示了其核心吸附机制：（1）PLNC中去质子化羧基（-COO⁻）与TMP氨基嘧啶环的芳香氮原子形成强静电吸引作用；（2）在中性至碱性条件下，羧基与TMP氨基氮形成电荷辅助氢键，贡献随pH升高逐渐增强；（3）木质素芳香环与TMP三甲氧基苯环间的π-π电子供受体作用，稳定贡献约20%的吸附量。值得注意的是，TMP分子中的三甲氧基苯结构通过共轭效应增强了芳香氮的电子云密度，进一步强化了与PLNC的静电作用，这是其吸附性能优于同类材料的关键。
PLNC海绵展现出良好的实际应用前景，在5次吸附-解吸循环后，质量损失低于10%，吸附效率仍保持85%以上；动态吸附柱实验中，处理水量达40×103 BV倍床体积时，出水TMP浓度仍可控制在初始浓度的50%以下。此外，该材料在黄河水、贾鲁河等实际水体中对TMP的去除率超过80%，且无明显溶出物，生物毒性低。本研究为探索三维多孔海绵吸附剂的应用潜力提供了新的视角和前景。
我院农业资源与环境专业2023级博士生杨焕焕为第一作者，马双龙教授、高博强讲师为共同通讯作者。该项工作得到中国博士后科学基金(2023M730988，2024MD764007)、中国国家自然科学基金(42377067，52400169)、河南省自然科学基金(242300420553)、河南农业大学科技创新基金(2024CXZX013)、河南省优秀青年科学基金(242300421148)、河南省青年骨干教师计划(2023GGJS028)资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171113
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171113
(文图/杨焕焕，审/刘世亮)