计算机视觉辅助的分选与高活性厌氧氨氧化颗粒的选择性培养

《Water Research》：Computer vision-assisted sorting and selective cultivation of high-activity anammox granules

本研究设计了一种新型复合吸附剂CS@MOF-TPA，通过物理互穿策略在保留壳聚糖-NH?功能基团的同时显著提高比表面积。该材料在pH 2-8范围内表现出优异的金吸附性能，在混合离子溶液中去除率达99.39%，实际电镀废水中仍保持68.88%的高效去除。XRD/XPS及DFT分析证实了N/O供位基团与Au3?的静电协同配位机制。

　　近年来，随着电子制造、表面处理等相关行业的发展，含金工业废水的排放量迅速增加。这种废水不仅含有高浓度的金离子，还往往伴随着酸性、盐分等复杂成分，对生态环境构成了潜在威胁。与此同时，全球对黄金的需求持续上升，而初级黄金矿产资源日益枯竭，加之采矿活动对环境的影响愈发显著，以及日益严格的环保法规，使得含金废水的处理从单纯的污染治理转变为一种宝贵的二次资源回收途径。因此，如何高效、经济地从工业废水中回收黄金，成为当前研究的重要方向之一。

在众多黄金回收技术中，吸附法因其操作简便、适用于多种废水类型、能耗和试剂消耗较低、能够实现原位再生以及产生的二次废弃物较少等优势，被认为是极具潜力的替代方案。然而，现有的吸附材料仍存在一些关键问题，限制了其在工业领域的广泛应用。例如，活性炭和矿物类吸附剂虽然在某些情况下表现出较高的吸附能力，但往往缺乏足够的选择性，难以有效区分黄金离子与其他金属离子。离子交换树脂虽然具备一定的可再生性，但在处理高盐度、强酸性或含有复杂杂质的废水时，其性能往往受到严重影响。此外，许多生物吸附剂在酸性条件下容易失去结构完整性或吸附活性，这使得它们在实际应用中面临严峻挑战。

针对上述问题，研究团队提出了一种新型的吸附材料——壳聚糖渗透的锆基金属有机框架（CS@MOF-TPA）。该材料通过将壳聚糖链物理嵌入到化学稳定的金属有机框架（MOF）骨架中，成功保留了壳聚糖的氨基（-NH?）功能基团，同时显著提升了材料的比表面积。这种设计巧妙地解决了传统交联方法中稳定性与功能性的矛盾。壳聚糖是一种天然的多糖，具有良好的生物相容性和可降解性，其氨基和羟基基团能够作为配体，与金属离子形成稳定的配位键。然而，天然壳聚糖在酸性环境下的稳定性较差，这在实际废水处理中是一个显著的短板。为了改善这一问题，研究者通常采用化学交联方法，如戊二醛（GA）交联，以增强材料的耐酸性。但这种方法往往会导致壳聚糖的氨基基团发生反应，生成席夫碱，从而削弱其对黄金的吸附能力。因此，如何在不破坏壳聚糖功能基团的前提下，提升其在复杂废水中的稳定性，成为亟待解决的关键问题。

CS@MOF-TPA的设计理念正是基于这一需求。通过将壳聚糖与锆基金属有机框架结合，研究团队实现了壳聚糖链的物理嵌入，而非化学交联。这种方法不仅保留了壳聚糖的原始功能基团，还借助MOF骨架的高比表面积和化学稳定性，提升了材料的整体性能。此外，MOF-TPA中的三嗪基团提供了丰富的氮和氧供体位点，进一步增强了材料对黄金的吸附能力。在实际应用中，这种材料能够在pH值2至8的范围内有效工作，其中在pH值为5时表现出最佳的吸附效果。在不同温度条件下，CS@MOF-TPA对黄金的吸附容量分别为359.24、473.27和556.33 mg/g，显示出良好的温度适应性。

为了验证材料的性能，研究团队进行了多种实验。在混合离子溶液中，CS@MOF-TPA对黄金的去除效率达到了99.39%，而在实际电镀废水中，其去除效率仍保持在68.88%。这表明该材料不仅在理想条件下表现出色，而且在复杂的工业废水中也能维持较高的吸附能力。此外，通过五次硫脲再生实验，CS@MOF-TPA的吸附效率依然保持在90.96%以上，显示出良好的可再生性和长期稳定性。

从理论角度来看，硬软酸碱（HSAB）原理为该材料的选择性吸附提供了有力支持。黄金（III）离子作为一种软性路易斯酸，更倾向于与软性或碱性氮供体发生相互作用，而这些氮供体主要来源于壳聚糖的氨基和MOF-TPA中的三嗪基团。相比之下，电镀废水中常见的碱金属离子则因电子亲和力较低，难以与这些活性位点形成稳定的配位键。因此，CS@MOF-TPA在混合离子体系中表现出对黄金的高度选择性，这为实际废水处理中的目标回收提供了理论依据。

为了进一步理解CS@MOF-TPA的吸附机制，研究团队结合了多种表征技术。扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）揭示了材料的微观形貌及其元素分布，显示其具有不规则的块状结构，并且表面呈现出明显的粗糙特征。X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析进一步确认了材料的化学组成及其表面化学性质，与预期结果高度一致。此外，密度泛函理论（DFT）计算被用于分析材料表面的电子结构，包括态密度（DOS）、局域化电子密度（ELF）以及电荷转移（IGMH）等参数，揭示了氮和氧供体位点在吸附过程中发挥的关键作用。

值得注意的是，CS@MOF-TPA的吸附行为符合Sips等温线模型，这表明其吸附过程具有一定的非均匀性。同时，吸附动力学符合伪二级/伊洛维奇模型，进一步证实了吸附机制为化学吸附，而非简单的物理吸附。这一发现不仅有助于理解材料的吸附特性，也为优化吸附条件提供了理论指导。

综上所述，CS@MOF-TPA作为一种新型的吸附材料，成功克服了传统方法中稳定性与功能性的矛盾，展现出优异的吸附性能、良好的选择性和可再生性。该材料在实际工业废水处理中具有广阔的应用前景，特别是在电镀等高盐度、强酸性的废水处理场景中。此外，其设计思路也为其他金属离子的回收提供了借鉴，有望推动更多高效、环保的资源回收技术的发展。未来的研究可以进一步探索该材料在不同废水体系中的适用性，以及如何通过结构优化提升其吸附容量和选择性，从而实现更高效的黄金回收。