【MOF气凝胶】基于MOF-5/纤维素-气凝胶复合材料的吸附剂对废水中有机染料的吸附

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摘要：
1. Iran University of Science and Technology的Majid Hosseinzadeh等报道的本篇文章（Sci Rep 2024, 14, 15623 (2024)）中开发了一种新型的MOF-5/纤维素气凝胶复合材料，用于从废水中有效吸附有机染料。
2. 利用Pampas植物作为天然材料生产纤维素气凝胶，研究了该复合材料的吸附特性和柔韧性。测试表明，该气凝胶具有良好的可重复使用性，吸附容量只有轻微的5%降低。通过XRD分析和扫描电子显微镜对材料进行了表征，发现MOF气凝胶粒子具有立方结构。UV-Vis光谱技术详细评估了该复合材料对酸性蓝染料的高效去除能力，特别是在酸性pH条件下，对阴离子染料的吸收率达到了96%。
3. 此外，合成的MOF-5/纤维素气凝胶复合材料表现出Langmuir等温线行为，并在吸附过程中遵循伪二阶动力学。由于其卓越的吸附效率，MOF-5/纤维素气凝胶复合材料有望成为水净化和其他应用领域的领先吸附剂。

研究背景：
1. 工业活动不断向环境释放包括有机染料在内的有害物质，这些物质对人类健康构成重大威胁。因此，废水处理技术中对有效吸附剂的需求日益增加。
2. 已有多种化学和物理技术用于废水处理，包括吸附、化学氧化还原、生物处理和光催化降解等。其中，吸附技术因其高效性、成本效益和易用性而受到关注。
3. 作者开发了一种MOF-5/纤维素气凝胶复合材料，利用Pampas植物作为生产纤维素气凝胶的天然材料，不仅提高了吸附容量和稳定性，还增强了材料的水稳定性和可重复使用性。

实验部分：
1. 纤维素的提取步骤
   - 精确称取5克Pampas草，与1M氢氧化钠溶液混合。
   - 将得到的混合物在65至70°C下搅拌180分钟。
   - 随后，将混合物在乙醇和硝酸（比例5:1）的溶液中搅拌，再次进行搅拌。
   - 最后，使用次氯酸钠溶液多次洗涤提取的纤维素。
2. 气凝胶的合成步骤
   - 将从Pampas草提取的1摩尔纤维素与300毫升蒸馏水混合，搅拌1小时以分散。
   - 缓慢加入0.5摩尔的甲基丙烯酰胺，直至完全均质，然后继续搅拌。
   - 将所得混合物在25°C下超声处理1小时，形成凝胶。
   - 将凝胶在冰箱中放置12小时，随后进行冷冻干燥。
3. MOF-5的合成步骤
   - 按照先前研究的方法，使用对苯二甲酸、三乙胺和DMF制备特定比例的溶液。
   - 分别准备含有氯化钠和DMF的溶液，并将其与上述溶液在室温下混合。
   - 逐渐向混合物中加入锌盐溶液，然后转移到高压釜中。
   - 将高压釜加热至383K（约110°C），反应24小时。
   - 反应后，通过离心和用DMF洗涤来纯化合成的MOF-5。
4. MOF-5/纤维素气凝胶复合材料的合成步骤
   - 将丙烯酰胺与纤维素提取物在水性溶剂中混合。
   - 向混合物中引入MOF，并评估不同量MOF-5对去除染色剂性能的影响。
   - 仔细混合并在90°C下超声处理1小时。
   - 最终，经过冷冻干燥得到MOF-5/纤维素气凝胶复合材料。
5. 吸附实验步骤
   - 制备和表征MOF-5/纤维素气凝胶复合材料。
   - 对其吸附能力和动力学模型进行比较分析，特别是针对去除酸性蓝（阴离子染料）。
   - 测试包括pH值、初始染料浓度、混合时间、吸附剂量等多个参数。

分析测试：
1. SEM分析
   - SEM图像显示MOF-5具有80至150纳米的立方晶体结构。
   - MOF-5/纤维素气凝胶复合材料显示纤维素气凝胶和MOF-5晶体的纤维聚集模式。
2. XRD分析
   - MOF-5的XRD谱图在6.85度、9.69度、13.74度和15.31度处显示出特征峰。
   - MOF-5/纤维素气凝胶复合材料的XRD谱图在2θ范围20至30度显示出纤维素的显著峰。
3. FTIR分析
   - MOF-5的FTIR谱图显示出C-C和C=C的伸缩振动以及Zn-O的金属-氧键特征峰。
   - MOF-5/纤维素气凝胶复合材料的FTIR谱图显示-OH和C-O基团的特征吸收峰。
4. BET分析
   - MOF-5的BET比表面积为6.4197 m²/g，孔体积为0.0634 cm³/g，孔径为39.497 nm。
   - MOF-5/纤维素气凝胶复合材料的BET比表面积降至1.2637 m²/g，孔体积增至0.2903 cm³/g，孔径为32.827 nm。
5. UV-Vis光谱分析
   - MOF-5/纤维素气凝胶复合材料在酸性pH条件下对酸性蓝染料的吸收率达到96%。
   - 在中性条件下，染料的去除率为76.58%。
6. zeta电位和pHpzc测定
   - MOF-5/纤维素气凝胶复合材料的zeta电位为35.34 mV，pHpzc值为6.8。
7. 吸附动力学研究
   - 使用伪一阶和伪二阶动力学模型分析吸附动力学，结果显示伪二阶模型具有更高的回归系数。
8. 吸附等温线研究
   - 吸附等温线数据表明Langmuir模型最适合描述酸性蓝染料的吸附过程，最大吸附容量为60 mg/g。
9. 材料的可重复使用性研究
   - 经过三次循环使用后，MOF-5/纤维素气凝胶复合材料的吸附容量仅下降了5%。

总结：
本研究成功开发了一种新型的MOF-5/纤维素气凝胶复合材料，用于高效吸附水体中的酸性蓝染料。该复合材料在酸性条件下表现出96%的高吸附率，并且具有良好的可重复使用性，吸附容量在多次循环后仅下降5%。通过SEM、XRD、FTIR、BET和UV-Vis等技术对材料进行了全面表征，证实了其优异的吸附性能和稳定性。

展望：
1. 进一步优化合成方法：探索更高效、环保的合成路径，提高材料产率和纯度。
2. 扩展材料应用范围：研究该材料在其他类型染料和污染物去除中的应用潜力。
3. 深入研究吸附机制：通过理论计算和实验研究，深入理解材料与染料分子之间的相互作用。
4. 提高材料的稳定性和耐久性：通过化学修饰和结构优化，提高材料在长期应用中的稳定性和耐久性。
5. 探索其他天然植物源材料：利用其他天然植物资源开发新型的纤维素气凝胶基复合材料。

Adsorbent based on MOF-5/cellulose aerogel composite for adsorption of organic dyes from wastewater
文章作者：Mohammad Shiri, Majid Hosseinzadeh, Soudeh Shiri & Shahrzad Javanshir
DOI：10.1038/s41598-024-65774-y
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41598-024-65774-y

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