利用ZIF-8修饰的硅藻土/海藻酸盐/聚乙烯醇水凝胶珠同时并协同地去除水溶液中的Cu2?和亚甲蓝

《Results in Engineering》：Simultaneous and Synergistic Removal of Cu2? and Methylene Blue from Aqueous Solution Using ZIF-8-Decorated Diatomite/Alginate/Polyvinyl alcohol Hydrogel Beads

高效去除污水中的重金属离子和有机染料的研究：ZIF-8/diatomite复合水凝胶 beads 的开发与性能分析。采用alginate/PVA水凝胶为基质，通过原位生长法制备ZIF-8修饰硅藻土复合填料，结合BET、FTIR、XRD等表征手段验证材料结构。实验表明复合水凝胶在单污染系统中MB去除率达94%，Cu2?去除率达93.5%，双污染系统分别达到63%和91%。吸附动力学显示MB遵循伪一级动力学，Cu2?伪二级动力学，热力学参数证实吸附自发且为吸热过程。

　　### 中文解读：基于天然聚合物的ZIF-8/硅藻土混合水凝胶珠用于废水多污染物去除

在当前的水资源保护和环境治理背景下，废水处理技术的研究正变得越来越重要。随着工业化和城市化的快速发展，水体污染问题日益严重，尤其是有机染料和重金属离子的混合污染，这给传统单一处理技术带来了巨大挑战。为此，科学家们不断探索新型材料，以实现对多种污染物的高效、环保去除。本研究中，研究人员开发了一种新型的复合水凝胶珠，通过将ZIF-8纳米颗粒与硅藻土结合，并将其封装在海藻酸钠和聚乙烯醇（PVA）的水凝胶结构中，从而实现对铜离子（Cu2?）和亚甲基蓝（MB）的同步吸附。

#### 1. 研究背景与意义

水是地球生命活动的基础资源，其清洁和可持续性对于生态系统和人类社会至关重要。然而，全球每天排放的工业、市政和农业废水超过200万吨，这些废水对人类健康和生态环境构成了严重威胁。重金属离子和有机染料是常见的污染物，它们不仅具有毒性和生物累积性，还会对水体中的溶解氧和透明度产生负面影响，进而影响水生生物的生存和人类饮用水的安全。传统的废水处理方法往往成本高、能耗大，并且会产生二次污染，因此寻找高效、低成本且环保的吸附材料成为研究的重点。

水凝胶作为一种新型的吸附材料，因其三维多孔结构、高亲水性和较大的比表面积，具有良好的吸附性能。然而，单一成分的水凝胶在实际应用中仍存在一些问题，如机械强度不足、稳定性差等。为了克服这些缺陷，研究人员尝试通过引入无机材料，如硅藻土和ZIF-8，来改善水凝胶的吸附能力和结构稳定性。ZIF-8是一种金属有机框架材料（MOFs），具有高比表面积和孔隙率，能够通过多种机制（如静电相互作用、氢键、π-π堆积、离子交换和配位键）吸附污染物。硅藻土则因其丰富的硅醇基团和多孔结构，成为一种高效的吸附材料。

#### 2. 材料与方法

本研究中，使用的材料包括聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠、硅藻土、ZIF-8纳米颗粒等。其中，硅藻土的粒径约为19.6微米，ZIF-8的粒径在78至385纳米之间。研究人员首先对硅藻土进行了酸洗处理，以去除杂质并提高其表面活性。随后，通过溶液法合成了ZIF-8纳米颗粒，并将其与硅藻土进行混合，形成ZIF-8/硅藻土混合粉末。最后，将该混合粉末与PVA和海藻酸钠混合，通过滴定法制备出水凝胶珠。

为了评估材料的性能，研究人员采用了多种表征技术。首先，通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察水凝胶珠的形态和结构。其次，使用X射线衍射（XRD）分析材料的晶体结构。此外，还利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）研究材料的化学键和官能团，以及比表面积和孔径分布分析（BET）。这些技术的结合，使得研究人员能够全面了解材料的物理化学特性，并进一步评估其在废水处理中的应用潜力。

#### 3. 结果与讨论

**3.1 材料表征**

通过FE-SEM图像可以看出，ZIF-8呈现出规则的多面体结构，而硅藻土则呈现出盘状结构。当ZIF-8与硅藻土混合后，ZIF-8纳米颗粒均匀地分布在硅藻土表面，形成了一种复合结构。XRD分析结果进一步验证了ZIF-8和硅藻土在混合后的共存，同时表明混合材料的结构特征与原始材料基本一致，说明ZIF-8和硅藻土之间的结合是稳定的。BET分析结果显示，硅藻土的比表面积仅为6.2 m2/g，而ZIF-8的比表面积高达2246.9 m2/g，这表明ZIF-8的引入显著提高了材料的吸附能力。当ZIF-8与硅藻土混合后，其比表面积进一步提升至36.3 m2/g，这说明混合材料的结构优化能够增强吸附性能。

**3.2 水凝胶珠的性能评估**

水凝胶珠的膨胀率是其吸附能力的重要指标之一。实验结果显示，仅含ZIF-8或硅藻土的水凝胶珠具有较高的膨胀率，而ZIF-8/硅藻土混合水凝胶珠的膨胀率相对较低。这表明，混合材料的均匀分布可能减少了水分子的自由扩散，从而增强了材料的机械强度。在机械稳定性测试中，PAZDH（ZIF-8/硅藻土混合水凝胶珠）在经历8分钟的超声波处理后，其重量保持率达到了70%以上，显示出良好的结构稳定性。

**3.3 吸附性能**

在单污染物系统中，含硅藻土的水凝胶珠对MB的去除率达到了92%，而含ZIF-8的水凝胶珠对Cu2?的去除率则提升至95%。相比之下，PAZDH混合水凝胶珠对MB和Cu2?的去除率分别为94%和93.5%，表现出更高的综合吸附能力。在双污染物系统中，PAZDH水凝胶珠对Cu2?和MB的去除率分别为91%和63%，显示出其在复杂废水处理中的应用潜力。

**3.4 吸附动力学**

吸附动力学是评估吸附材料性能的重要手段。通过实验发现，MB的吸附过程符合伪一阶动力学模型，而Cu2?的吸附过程则更接近伪二阶动力学模型。这表明，MB的吸附主要依赖于静电相互作用，而Cu2?的吸附则涉及化学吸附和离子交换机制。此外，研究人员还采用内扩散模型分析了吸附过程中的传质行为，发现MB和Cu2?的吸附均受到内扩散的影响，且其动力学参数表明，混合材料的吸附速率更快。

**3.5 吸附等温线**

吸附等温线用于描述吸附剂在不同浓度下的吸附能力。实验结果表明，MB的吸附过程更符合弗伦德利希模型，说明其吸附行为具有多层性和非均匀性。而Cu2?的吸附则更接近朗缪尔模型，表明其吸附过程可能以单层化学吸附为主。这些模型的拟合结果为吸附机制提供了理论依据，并有助于优化吸附条件。

**3.6 热力学分析**

热力学参数（如自由能ΔG°、熵ΔS°和焓ΔH°）进一步揭示了吸附过程的自发性和能量变化。实验结果显示，MB和Cu2?的吸附过程均为自发进行，且随着温度的升高，吸附效率显著提高。这表明，吸附过程具有吸热特性，且在高温条件下更为有利。此外，正的熵变ΔS°表明吸附过程增加了系统的无序程度，进一步支持了吸附行为的可行性。

**3.7 吸附机制**

通过FTIR分析，研究人员发现，MB和Cu2?的吸附主要依赖于静电相互作用和氢键作用。MB的分子结构中含有氮和甲基，这些官能团能够与水凝胶珠表面的羧酸基团和羟基形成静电吸附。而Cu2?则主要通过硅醇基团的静电相互作用和ZIF-8的配位作用被吸附。此外，ZIF-8的多孔结构和丰富的活性位点为污染物提供了更多的吸附位点，从而提高了整体的吸附效率。

#### 4. 结论

本研究成功开发了一种基于海藻酸钠、聚乙烯醇、硅藻土和ZIF-8的复合水凝胶珠，用于同时去除铜离子和亚甲基蓝。实验结果表明，该材料在单污染物和双污染物系统中均表现出优异的吸附性能，其比表面积和孔隙结构显著优于单一组分材料。此外，混合材料的机械稳定性和膨胀行为也得到了改善，使其更适用于实际的废水处理场景。尽管该材料在实验室条件下表现出良好的性能，但为了实现工业应用，还需要进一步研究其固定床性能、重复使用性和在真实废水中的表现。

#### 5. 研究意义与展望

本研究不仅提供了一种新型的废水处理材料，还揭示了ZIF-8和硅藻土在复合体系中的协同作用。通过将这两种材料结合，可以显著提高吸附效率，同时减少材料的使用量和成本。这种材料的开发为多污染物废水处理提供了一种高效、环保的解决方案，具有广阔的应用前景。未来的研究可以进一步探索该材料在不同废水条件下的适应性，并优化其制备工艺以提高其实际应用价值。此外，该材料的再生性能和经济性也是值得深入研究的方向。