基于氨三乙酸功能化改性 MOF-808 实现废水中多种重金属离子的快速同步捕获

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南京大学张炜铭教授团队联合南京林业大学计成汉教授团队在《Separation and Purification Technology》发表研究成果。该研究针对现有重金属吸附剂仅能去除单一类型重金属、难以适配复杂工业废水的行业痛点，制备出氨三乙酸（NTA）功能化改性 MOF-808（MOF-808-NTA）广谱吸附材料。实验选取硬酸、软酸、交界酸共 15 种典型重金属离子开展测试，该材料对所有离子去除效率均超 99%；针对 Cr³⁺、Hg²⁺、Pb²⁺三种代表性离子，可在 30 s 内实现 99% 以上去除，在 Na⁺、Ca²⁺、腐殖酸等干扰物质存在时，去除率仍高于 95%；经过 5 次吸附 - 再生循环后，吸附性能仍保持在 97.5% 以上。结合光谱表征与密度泛函理论（DFT）计算证实，NTA 基团中的氮、氧原子形成爪状螯合结构，是捕获重金属的核心活性位点。该材料合成简便、性能优异，为复杂工业废水中多种重金属同步去除提供了新型高效吸附剂与技术思路。

研究背景
1. 行业现存问题
工业电镀、采矿等行业会产生大量含重金属废水，重金属具备生物累积性与高毒性，常规水处理工艺难以将其彻底去除。目前主流吸附材料大多只能靶向去除单一重金属，且水体中常见的盐离子、腐殖酸会大幅降低吸附效率，无法满足复杂废水的处理需求。
2. 现有解决方案
国内外学者已研发出二氧化铈、二硫化钼等专用吸附材料用于单一重金属处理，但这类材料合成复杂、成本偏高，还存在官能团负载不均、产率不稳定等问题。传统 MOF 材料虽具备多孔、易改性的优势，可现有改性产品依旧缺乏广谱吸附能力。
3. 本文创新思路
结合软硬酸碱理论，氨三乙酸（NTA）同时包含可结合不同重金属的氮、氧活性原子。研究选用结构稳定、易修饰的 Zr 基 MOF-808 作为基底，通过配体交换接枝 NTA 基团，打造出一款兼具超快吸附、强抗干扰、可循环使用的广谱重金属吸附剂，直击行业实际应用痛点。

实验部分
本研究围绕材料合成优化、吸附性能、抗干扰能力及循环稳定性开展核心实验，整体实验条件统一为：吸附剂投加量 0.1 g/L、环境温度 25 ℃。
1. 材料合成与条件优化
先制备 MOF-808 并高温活化，再将其与氨三乙酸二钠溶液混合，在氮气氛围、70 ℃条件下进行改性反应。对比不同反应时长后确定24 h 为最优改性时间，此时 NTA 负载量达到 22.8 wt%，对 Hg²⁺去除率可达 99.9%。产物经洗涤、干燥后得到 MOF-808-NTA。
2. 广谱吸附性能测试
分别对 15 种单一组分重金属离子、12 种重金属混合溶液进行吸附实验，该材料对各类重金属去除率均超 99%；选取 Cr³⁺、Hg²⁺、Pb²⁺为代表开展动力学测试，最快仅需 10 s 就能实现 99% 去除，1 分钟内即可达到吸附平衡。等温吸附实验证明该材料为单层化学吸附，三种重金属饱和吸附容量最高可达 409.2 mg/g，吸附能力突出。
3. 抗干扰与循环再生实验
最优吸附 pH 为 5.0，即便水体中存在高浓度 Na⁺、Ca²⁺以及腐殖酸，材料依旧能保持 95% 以上的重金属去除率，抗干扰能力极强。使用稀盐酸对饱和材料解吸再生，在实际电镀废水中完成 5 次循环后，去除率仍高于 97.5%，且基底锆元素溶出量极低，结构稳定性优异。
实验突破：成功实现多类重金属同步高效去除，吸附速率远优于传统材料；在复杂水质环境中性能稳定，再生方式简单，具备工业化应用潜力。

分析测试
研究通过多项表征手段验证材料改性效果与结构特性，核心数据与结论如下：
1. 形貌与晶体结构：改性前后材料均为 650 nm 左右的八面体结构，晶体特征峰无变化，热稳定温度可达 300 ℃，证明接枝 NTA 不会破坏 MOF-808 原有骨架。
2. 孔结构参数：原始 MOF-808 比表面积 1596 m²/g、平均孔径 1.76 nm；改性后比表面积为 1184 m²/g、平均孔径 1.38 nm，孔道虽略有收缩，但依旧保持发达多孔结构，保障重金属离子快速传输。
3. 光谱分析：红外、核磁、X 射线光电子能谱共同证实，MOF-808 表面原有配体被 NTA 完全取代，N、O 活性原子成功接枝并参与重金属配位反应。
测试结论：NTA 基团被稳定负载在材料表面，优异的孔结构与活性位点协同作用，是材料具备高性能的结构基础。

机理分析
1. 吸附传质过程：重金属离子先通过液膜扩散富集在材料表面，再经由内部孔道扩散至 NTA 活性位点，最终达到吸附平衡，双扩散作用让材料实现超快吸附。
2. 配位吸附核心机理：NTA 中的氮原子与两个氧原子形成独特爪状螯合结构，可与不同类型重金属离子形成强配位键。结合 DFT 理论计算可知，该材料与重金属的吸附能远低于水体中干扰离子，从微观层面解释了材料高选择性、强抗干扰性的本质原因。

总结
1. 采用简易配体交换法制备 MOF-808-NTA，合成条件温和、工艺可重复，完成了改性参数的系统优化。
2. 全面验证材料广谱吸附、超快动力学、大吸附容量、抗干扰及可循环等综合性能，整体表现优于常规吸附材料。
3. 结合表征技术与理论计算，阐明材料结构与吸附性能的构效关系及作用机理，为广谱重金属吸附剂的设计提供理论参考。

文章标题：Ultrafast and multiple heavy metal ions capture from wastewater by aminotriacetic acid-functionalized MOF-808
作者：Chenghan Ji, Yuanjie Zhang, Zhuoyao Fang, Yi Ren, Weiming Zhang
DOI：10.1016/j.seppur.2025.132483
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2025.132483

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