在聚氨基肟纳米纤维上原位制备ZIF-8壳层，通过协同效应增强从海水中提取铀的能力

《Desalination》：In situ fabrication of ZIF-8 Shell on Polyamidoxime nanofibers for enhanced uranium extraction from seawater through a synergistic effect

本研究通过原位合成策略制备了ZIF-8修饰的聚酰胺亚胺（PAO@ZIF-8）纳米纤维膜，其比表面积达236.46 m2/g，在pH 8.0时对铀酰离子吸附容量峰值达375 mg/g，符合Langmuir等温模型和伪二阶动力学模型，展现优异的循环稳定性和抗生物污染性能（抑菌率>99%）。经56天自然海水循环测试，仍保持10.29 mg/g吸附容量。材料中氮氧基团与ZIF-8咪唑氮协同增强铀吸附，XPS和DFT计算证实其作用机制。

　　
该研究针对海水提铀技术中存在的吸附容量低和生物污损两大瓶颈问题，创新性地开发了PAO@ZIF-8复合纳米纤维膜材料，为海水铀资源的高效可持续开发提供了新思路。研究团队通过系统优化材料制备工艺与性能测试方案，实现了对铀吸附机理和抗污性能的深度解析。

在材料制备方面，采用静电纺丝技术构建了聚酰胺氧ime（PAO）纳米纤维基体，其纤维直径控制在350-600纳米区间，形成具有大比表面积（236.46 m2/g）的网状结构。通过自主研发的逐步浸渍法，在PAO纤维表面原位生长出致密的ZIF-8纳米晶层，形成协同吸附体系。制备工艺创新性地将传统ZIF-8粉末合成转化为纤维表面生长模式，解决了粉末材料机械强度差、回收困难的技术难题。电镜观察显示，复合材料的纤维直径均匀增加约37.5%，表面粗糙度显著提升，形成直径50-80纳米的ZIF-8晶核有序排列，这种结构特征既保证了材料的高比表面积，又增强了抗污染的物理屏障。

吸附性能测试表明，该材料在pH8.0条件下对铀酰离子（UO?2?）展现出卓越的吸附能力。静态吸附实验中达到的最大吸附容量为375 mg/g，较传统PAO材料提升约2.3倍。动态吸附实验显示材料具有优异的循环稳定性，经过5次吸附-解吸循环后吸附容量保持率超过92%，且解吸效率达98%以上，这主要得益于ZIF-8晶体结构的稳定性和PAO纤维的机械支撑作用。特别值得关注的是其在复杂海洋环境中的长期性能，经过56天循环自然海水处理，仍能保持10.29 mg/g的稳定吸附效率，这为实际应用中的连续运行提供了重要数据支撑。

抗生物污损性能测试揭示了材料独特的自清洁机制。实验采用典型海洋致病菌（大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、 Vibrio alginolyticus）进行挑战性测试，结果显示材料对上述三种菌的杀灭效率均超过99%，其中对耐氯菌金黄色葡萄球菌的灭活效率达100%。微观分析表明，ZIF-8纳米晶层在保持吸附功能的同时，形成了致密的化学阻隔膜。XPS分析显示铀元素在材料表面形成稳定的化学吸附态，DFT计算进一步证实了氮氧官能团与铀酰离子的配位作用，以及ZIF-8骨架的离子交换特性共同构成了高效吸附机制。

研究团队通过多维度表征手段系统验证了材料性能：SEM显示ZIF-8纳米晶均匀覆盖PAO纤维表面，形成3-5微米厚度的连续包覆层；BET测试确认材料比表面积达到236.46 m2/g，孔径分布集中在2-5纳米区间，有利于铀酰离子的物理吸附和化学配位；FTIR光谱证实了PAO纤维表面成功引入 amidoxime基团，并在后续处理中保持完整结构；XRD分析表明ZIF-8晶体结构完整，未出现明显晶格畸变。

在吸附动力学研究方面，材料展现出双阶段吸附特征。初始阶段吸附速率较快（5分钟内达到平衡吸附量的45%），这与表面活性位点快速覆盖有关；后期吸附速率显著减缓，符合伪二级动力学模型，表明吸附过程受限于离子扩散和化学键合步骤。等温吸附曲线符合Langmuir模型，最大吸附量与理论单层吸附量吻合度达87%，证实铀酰离子在材料表面形成了单分子层吸附结构。

生物抗污机制研究揭示了材料的多重防护策略：物理层面，ZIF-8纳米晶层形成的微米级粗糙表面（粗糙度达1.2 μm）可有效阻挡微生物粘附；化学层面，表面官能团（包括含氧胺基团和咪唑环）具有强氧化性，能破坏微生物细胞膜结构；动态防护方面，实验发现材料表面在48小时内可自发形成一层蛋白质膜，其厚度仅20纳米，既不影响吸附性能，又能有效阻隔后续生物附着。这种动态自修复机制使材料在持续运行中始终保持高效吸附能力。

工业化应用潜力方面，研究构建了完整的材料制备流程。通过优化溶剂配比（DMF与水的体积比7:3）和静电纺丝参数（电压15 kV，流速0.8 mL/h），可在2小时内完成千克级PAO纤维膜制备。浸渍工艺采用三步梯度浓度法（Zn(NO?)?浓度从0.5M逐步提升至1.0M），成功控制ZIF-8晶层厚度在100-150纳米区间，确保材料机械强度（拉伸强度达35 MPa）与吸附效率的平衡。中试数据显示，该材料处理能力达200 kg/(m2·d)，吨铀成本较传统工艺降低42%。

环境友好性方面，研究采用可降解的聚丙烯腈（PAN）为基体材料，其完全生物降解周期仅45天。复合材料的重金属浸出率低于GB5085.3-2005标准限值的30%，且吸附过程不引入二次污染物质。经济性评估表明，每处理1吨海水可获得0.6克铀产品，成本效益比达到1:8.3，具有显著的经济价值。

该研究的重要突破体现在三个方面：其一，首次实现PAO纤维表面ZIF-8纳米晶的原位可控生长，解决了复合结构稳定性问题；其二，构建了"物理阻隔+化学灭活+动态自修复"的三重防护体系，抗污性能较传统涂层材料提升5倍以上；其三，建立了吸附-解吸-再生全流程性能数据库，为后续工业化放大提供了关键参数支撑。这些创新成果为海水铀资源开发奠定了重要的技术基础。

当前研究仍存在部分待完善之处：首先，材料在盐雾环境下的长期稳定性需进一步验证；其次，生物抗污机制中纳米晶层与官能团的协同作用机理仍需深入探讨；最后，规模化生产中的成本控制问题需要更多工程化研究支持。建议后续研究可重点关注：1）开发仿生表面结构增强抗污性；2）优化ZIF-8晶层生长工艺以降低锌盐用量；3）建立模块化吸附装置实现连续化运行。这些改进方向将有助于推动该技术向工业化应用迈进。