功能化金属有机框架嵌入生物聚合物高效捕获Cd(II)的机理研究与Box-Behnken优化

本研究针对工业废水中Cd(II)污染治理难题，通过磺胺功能化钍基金属有机框架（NH2 -Th-MOF）与羧甲基纤维素/聚乙烯亚胺（CMC/PEI）复合制备FTMCP水凝胶珠，实现最大吸附容量432.6 mg·g?1 。该材料兼具Langmuir等温模型特性与化学吸附机制（Ea =32.42 kJ·mol?1 ），经Box-Behnken设计优化后展现五循环稳定性，为重金属废水处理提供新型环保解决方案。

　　

重金属污染已成为威胁生态环境和人类健康的全球性问题，其中镉（Cd(II)）因其高毒性和生物累积性备受关注。工业废水中的镉离子通过食物链富集可导致肾损伤、骨质疏松甚至癌症。传统处理方法如化学沉淀法产生大量污泥，离子交换树脂成本高昂，而生物吸附剂又面临效率低下的困境。如何开发兼具高吸附容量、可重复使用且环境友好的新型材料，成为当前环境治理领域的重要挑战。

针对这一难题，Umm Al-Qura大学的研究团队创新性地将钍基金属有机框架（Th-MOF）与生物聚合物复合，开发出功能化FTMCP水凝胶珠吸附剂。通过磺胺基团修饰提升材料选择性，结合CMC/PEI的羧基/氨基协同作用，该材料在pH=6条件下对Cd(II)的吸附容量达432.6 mg·g^?1
，相关成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》。研究采用Box-Behnken实验设计优化参数，揭示吸附过程符合伪二级动力学模型，并通过XRD、FTIR、SEM-EDX等多维表征证实材料的稳定性与再生能力。

主要技术方法
研究通过室温溶剂法合成NH₂
-Th-MOF，经环氧氯丙烷交联CMC/PEI形成水凝胶珠。采用BET测得材料比表面积368.7 m²
/g，结合XRD分析晶体结构，FTIR鉴定功能基团。吸附实验考察pH、剂量、浓度、温度四因素影响，通过Langmuir等温线和Arrhenius方程计算热力学参数。

研究结果

1. 材料表征：SEM显示多孔结构，EDX证实Cd(II)成功负载；FTIR在1635 cm^?1
   处出现C=O伸缩振动峰，证明金属配位作用。
2. 吸附性能：在0.02 g/25 mL投加量下，100分钟达平衡，ΔG°随温度升高从-28.1降至-34.9 kJ·mol^?1
   ，证实自发吸热特性。
3. 机理分析：XRD再生前后谱图一致性（2θ=20°-50°）表明结构稳定性，π-π堆叠和静电作用为主要吸附力。

结论与意义
该研究开创性地将放射性金属钍的MOF材料转化为环境修复工具，通过功能化设计和生物聚合物封装解决传统MOF易团聚、难回收的缺陷。FTMCP水凝胶珠的化学吸附特性（E_a

30 kJ·mol^?1
）与五次循环稳定性，为工业废水处理提供兼具高效性和可持续性的解决方案。研究建立的Box-Behnken优化模型，对复杂环境体系中吸附参数的精准调控具有普适指导价值。这项工作不仅拓展了钍基材料的应用边界，更为重金属污染治理提供了"吸附-再生"一体化技术范式。