生态工程设计的静电纺丝La/Rb-MOF/壳聚糖–PCL纳米纤维膜，用于高效、可回收且可持续地从水中去除六价铬（Cr(VI)）

《RSC Advances》：Eco-engineered electrospun La/Rb-MOF/chitosan–PCL nanofibrous membrane for high-performance, recyclable, and sustainable Cr( vi) removal from water

高效去除六价铬的电纺镧-铷MOF/CS-PCL纳米纤维膜研究

　　水污染问题日益严重，尤其是重金属污染，对人类健康和生态环境构成重大威胁。其中，六价铬（Cr(VI)）因其高度毒性、致癌性以及在环境中的持久性，成为水体污染治理的重点。传统的铬(VI)去除方法，如离子交换、化学沉淀、电化学处理、膜过滤和光催化等，虽然在某些情况下有效，但普遍存在操作成本高、去除效率有限、产生有害污泥、选择性不足以及后期处理困难等问题。因此，开发一种高效、可持续且可重复使用的吸附材料显得尤为迫切。在此背景下，本研究提出了一种新型的电纺纳米纤维膜，结合壳聚糖（CS）、聚己内酯（PCL）以及一种双金属金属有机框架（La/Rb-MOF），以实现对六价铬的有效去除。

电纺纳米纤维膜因其高表面积、相互连接的多孔结构以及可调的化学性质，已成为水净化领域的研究热点。通过优化电纺参数，该膜在机械强度和吸附能力方面均得到显著提升。结合XRD、FTIR、XPS、SEM和EDX等结构和表面分析方法，研究确认了La/Rb-MOF成功整合到纳米纤维网络中，形成了多孔且化学反应性强的结构。批量吸附实验表明，pH值、吸附剂用量、初始Cr(VI)浓度和温度等参数对去除效率有显著影响。吸附动力学研究发现，伪二阶模型能较好地描述吸附过程，而平衡数据则符合Langmuir等温线，显示出膜的高吸附容量，达到449.2 mg/g。热力学分析进一步表明，吸附过程是自发的和吸热的，吸附能力随温度升高而增强。

为了进一步优化吸附性能，研究采用了Box–Behnken设计和响应面方法（RSM）。这些方法识别了影响吸附效果的关键参数，并展示了该膜在五次连续吸附-脱附循环中仍能保持高去除效率，显示出其良好的可重复性。这些结果表明，La–Rb-MOF/CS–PCL纳米纤维膜具有机械强度高、可重复使用、环保等优势，为先进的水净化技术提供了有前景的解决方案。

在实验部分，研究详细描述了La–Rb-MOF的合成方法，以及如何将其与CS和PCL结合，形成具有高吸附能力的复合纳米纤维膜。通过调整溶液的pH值、接触时间、吸附剂用量和温度，研究评估了这些因素对Cr(VI)去除效率的影响。XRD分析表明，该膜具有半结晶特性，主要由PCL组成，而CS和La/Rb-MOF的结合导致了晶格结构的细微变化，但仍保持了良好的结构稳定性。N?吸附/脱附等温线分析进一步确认了该材料的多孔特性，显示出其在吸附过程中的优异性能。

FT-IR光谱分析揭示了吸附过程中官能团之间的相互作用变化，表明Cr(VI)与膜表面的氧和氮官能团之间发生了有效的配位。异步和同步二维相关图则提供了吸附过程中不同官能团相互作用的详细信息，揭示了Cr(VI)与膜表面的多阶段吸附机制。EDX分析确认了膜中元素的均匀分布，尤其是氧和氮的高含量，表明这些元素在Cr(VI)吸附中起到了关键作用。SEM图像则展示了该膜的纳米纤维结构，证明其具有广泛的表面积和良好的孔隙率，适合吸附过程。

在吸附等温线研究中，研究采用了一系列模型，包括Langmuir、Freundlich、Dubinin–Radushkevich（D–R）、Temkin、Jossens和Toth模型，以全面评估膜的吸附特性。Langmuir模型表明该膜具有较高的单层吸附能力，而Freundlich模型则显示了其表面的异质性和多层吸附特性。D–R模型进一步提供了吸附过程的平均吸附能，表明其主要依赖于化学吸附。Temkin模型强调了吸附过程的热力学特性，而Jossens和Toth模型则在不同浓度条件下表现出较高的适应性。

吸附动力学研究采用了伪一阶、伪二阶、内扩散和Elovich模型，以揭示吸附机制。研究发现，伪二阶模型能够很好地描述吸附过程，表明吸附主要由化学吸附主导。内扩散模型进一步分析了吸附过程中的扩散行为，显示了吸附过程的多阶段特性。Elovich模型则提供了吸附速率和吸附量随时间变化的详细信息，有助于理解吸附过程中的化学相互作用。

热力学分析表明，吸附过程是自发的和吸热的，且随着温度的升高，吸附能力显著增强。这表明在较高温度下，该膜能更有效地去除Cr(VI)。研究还评估了不同盐度和真实水样对吸附性能的影响，发现膜在真实水样中仍能保持较高的去除效率，表明其在实际水处理中的应用潜力。

通过响应面方法，研究确定了优化吸附性能的关键参数，包括pH值、接触时间和吸附剂用量。分析结果表明，pH值对吸附能力有显著影响，最佳吸附发生在pH 4左右。接触时间的延长显著提高了吸附效率，而吸附剂用量的增加则导致吸附能力的下降。这些发现为实际应用提供了重要的操作指导，确保在较低的吸附剂用量下实现高效的Cr(VI)去除。

研究还评估了该膜的可重复使用性，发现其在五次吸附-脱附循环中仍能保持高去除效率，显示出良好的稳定性和可再生性。此外，统计分析表明，该膜的吸附过程可以通过二次模型进行有效描述，且其预测能力良好，为吸附过程的优化和设计提供了科学依据。

综上所述，本研究开发了一种新型的La–Rb-MOF/CS–PCL纳米纤维膜，具有高吸附能力、良好的机械性能和可重复使用性，为六价铬的高效去除提供了新的解决方案。该膜的结构和表面特性使其在水净化领域展现出广阔的应用前景，同时其吸附机制和优化参数也为进一步的研究和应用提供了重要的参考。