《Environmental Research》：Recycled PET-derived MOF for photocatalytic degradation of emerging pollutants: Recent progress and critical considerations
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本研究通过虾壳来源纳米壳聚糖粒子（CSNPs）改性纤维素醋酸（CA）膜，显著提升了膜的亲水性（接触角由78.1°降至52.2°），抗污性能（蛋白吸附率从75%降至20%），以及Fe(III)、Cu(II)、Mn(II)去除效率（分别达96.0%、97.41%、98.1%）。改性膜在0.5 MPa下表现出优异的机械稳定性和抗菌效果，为工业废水处理提供了多功能、高耐久性解决方案。
阿什拉夫·莫尔西（Ashraf Morsy）| 内尔米娜·哈泰姆（Nermine Hatem）| 哈桑·A·埃韦斯（Hassan A. Ewais）| 谢鲁克·穆罕默德（Sherouk Mohamed）| 艾哈迈德·莫尔西（Ahmed Morsy）| 哈格尔·法蒂（Hager Fathi）| 艾亚·塔雷克（Aya Tarek）| 埃赫桑·纳赛夫（Ehssan Nassef）
摘要
水中的重金属污染对环境和公共健康构成了严重威胁。本研究报道了通过使用虾壳衍生的纳米壳聚糖颗粒（CSNPs）对醋酸纤维素（CA）膜进行改性，以增强其抗菌性能，并提高工业废水中Fe(III)、Cu(II)和Mn(II)的去除效率。CSNPs的加入显著提高了膜的亲水性，接触角从原始CA的78.1°降低到最高CSNP含量的52.2°，同时蛋白质吸附量从约75%降至20%，表明其防污性能得到了显著改善。采用FTIR、XRD、SEM和TEM对膜进行了表征，而过滤性能和机械性能则通过原子吸收光谱和拉伸测试进行了评估。改性膜在0.5 MPa压力下对Fe(III)的去除效率达到96.0%，对Cu(II)为97.41%，对Mn(II)为98.1%。更高的CSNP含量进一步增强了抗菌性能和结构稳定性。这些结果展示了一种有前景的策略，可用于开发具有优异机械强度、抗菌效果、防污性能和长期稳定性的多功能膜，以高效处理工业废水。
引言
水污染，尤其是未经处理的工业废水污染，对环境可持续性和公共健康构成了严峻的全球性挑战。据估计，超过80%的全球废水未经适当处理就被排放，导致淡水来源、地下水和海洋生态系统的污染1, 2。这一问题在发展中国家尤为突出，由于基础设施不足、技术能力有限和资金限制，高达90%的废水未能得到处理[3]。未经处理的废水中通常含有复杂的病原体、营养物质、有机污染物，尤其是重金属。这些金属离子（包括铅（Pb）、镉（Cd）、砷（As）、汞（Hg）和铬（Cr））不可生物降解、具有毒性，并能通过水生食物链积累4, 5, 6, 7, 8。它们在水系统中的存在与严重的健康问题相关，如肾功能障碍、神经系统疾病、癌症以及儿童发育问题9, 10。此外，当这种水用于灌溉时，重金属可能通过农作物进入食物链，对食品安全构成额外风险[11]。传统的重金属去除技术（如化学沉淀、离子交换、吸附和电化学方法）已被广泛应用，但这些方法往往在效率、成本和可持续性方面存在局限性12, 13, 14。
基于膜的技术，如反渗透（RO）、纳滤（NF）和超滤（UF），因其高选择性和去除效率而显示出潜力[15]。基于微生物的技术最近作为重金属修复的环保替代方案受到了关注。多种微生物（包括细菌和藻类）能够生物吸附、生物积累或将有毒金属转化为危害较小的形式，相比传统方法提供了可持续的解决方案16, 17。然而，这些系统仍受到膜污染、高运营成本和长期稳定性降低等问题的困扰[18]。为了解决这些问题，将纳米材料整合到聚合物膜中受到了广泛关注。研究表明，加入氧化石墨烯、银或纳米壳聚糖（NCs）等纳米颗粒可以显著提高膜的机械强度、抗污染能力和金属离子选择性19, 20。使用纳米颗粒进行纳米涂层和叶面喷洒可以有效减少被污染水灌溉植物的重金属吸收[21]。
其中，纳米壳聚糖因其天然来源、生物相容性、高吸附能力和固有的抗菌活性而脱颖而出[22]。壳聚糖是从甲壳类动物壳中的几丁质脱乙酰化得到的，可以通过离子凝胶化等方法转化为纳米颗粒，从而增加其表面积并激活胺基和羟基等官能团23, 24。尽管取得了这些进展，大多数传统和新兴技术仍存在高运营成本、二次污染和大规模应用适应性有限的缺点。因此，本研究的新颖之处在于开发了一种成本效益高且可持续的膜系统，该系统整合了纳米壳聚糖以克服这些限制。特别关注Fe(III)和Mn(II)是因为这些金属是工业和农业废水中最常见的污染物之一，即使在低浓度下也会对人类健康和环境安全造成严重威胁。通过针对这些金属，本研究填补了当前修复策略中的重要空白。在本研究中，我们旨在开发并表征用纳米壳聚糖颗粒（CSNPs）改性的醋酸纤维素膜，以高效去除工业废水中的Fe(III)和Mn(II)离子。使用FTIR、XRD、SEM、TEM和机械测试系统地评估了改性膜的性能。评估了包括金属离子排斥率和抗菌活性在内的性能指标，以确定所开发膜在可持续水处理应用中的有效性。
材料
作为聚合物基材使用了分子量为100,000 g/mol的醋酸纤维素（CA）。聚维吡咯烷酮（PVP，MW 40,000）和三聚磷酸钠（STPP）分别用作添加剂和交联剂。醋酸和甲醇用作溶剂，1,4-二氧烷作为膜浇铸的共溶剂。碳酸钙（CaCO3）被用作功能性填料。使用标准的水溶液（浓度为1000 mg/L）中的Mn(II)、Cu(II)和Fe(III)
透射电子显微镜（TEM）
透射电子显微镜（TEM）用于研究合成的壳聚糖纳米颗粒（CSNPs）的形态特征和粒径分布，如图3a所示。TEM显微照片具有清晰的放大刻度条（100 nm），显示CSNPs主要呈准球形或不规则形态，并观察到一定程度的聚集。从代表性样品构建了粒径分布直方图（图3b）
结论
本研究成功证明了将壳聚糖纳米颗粒（CSNPs）加入醋酸纤维素（CA）膜中显著提高了其处理工业废水的性能。改性膜在重金属去除方面表现出显著提升，最大去除效率分别为Fe(III) 98.10%、Cu(II) 97.41%和Mn(II) 96.02%。尽管在高CSNP负载下水通量略有下降，但数值仍保持在
CRediT作者贡献声明
哈桑·A·埃韦斯（Hassan A Ewais）：验证。 内尔米娜·哈泰姆（Nermine Hatem）：正式分析。 阿什拉夫·莫尔西（Ashraf Morsy）：撰写——初稿，监督。 艾亚·塔雷克（Aya Tarek）：软件。 哈格尔·法蒂（Hager Fathi）：方法学。 艾哈迈德·莫尔西（Ahmed Morsy）：研究。 谢鲁克·穆罕默德（Sherouk Mohamed）：验证，数据管理。 埃赫桑·纳赛夫（Ehssan Nassef）：监督
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢埃及亚历山大大学研究生院和研究所以及石化系工程学院提供的支持，感谢他们提供的实验室设备。
