双吡啶氮功能化纤维素气凝胶高效选择性吸附酸性废水中的Cu2+：实验、分子动力学与密度泛函理论研究

推荐 为解决酸性铜矿废水处理中重金属离子难以高效选择性去除的问题，研究人员以双吡啶氮功能化的纤维素（PEIPD/CMC）气凝胶为对象，系统探究其对Cu2+/Zn2+/Pb2+混合溶液的吸附行为。结果表明，该气凝胶在pH=2时对Cu2+的最大吸附容量达1.19 mmol/g，且通过MD和DFT验证其化学吸附机制，为工业废水处理提供了高效材料。

　　

论文解读
酸性矿山废水（Acidic mining wastewater）是全球重金属污染的主要来源之一，其中铜离子（Cu²⁺）因高毒性和生物累积性备受关注。传统处理方法如中和沉淀和离子交换在强酸性环境中效率低下，而吸附法因其灵活性和可操作性成为研究热点。然而，现有吸附材料在酸性条件下易失活，且对多金属共存体系的选择性不足。为此，国内研究人员以双吡啶氮功能化纤维素（PEIPD/CMC）气凝胶为核心，通过实验结合分子动力学（MD）和密度泛函理论（DFT）模拟，揭示其高效选择性吸附Cu²⁺的机制。

研究采用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）表征材料结构与化学性质。结果显示，PEIPD/CMC气凝胶具有层状结构，在pH=2的多金属体系中仍保持完整性，其对Cu²⁺的吸附容量达1.19 mmol/g，显著高于Zn²⁺（0.22 mmol/g）和Pb²⁺（0.18 mmol/g）。MD模拟表明，吸附过程以化学吸附为主，结合强度顺序为Cu²⁺>Zn²⁺>Pb²⁺；DFT计算进一步证实双吡啶氮通过螯合作用与Cu²⁺形成稳定配合物，其结合能低于其他金属离子，从而实现选择性吸附。

研究结论指出，双吡啶氮的低pKa值使其在酸性环境中保持活性，且电子转移与能量变化是选择性吸附的关键。该材料兼具高吸附容量、强抗酸性和循环稳定性，为工业废水处理提供了新思路。论文发表于《Environmental Research》，其意义在于推动功能化气凝胶在重金属去除领域的应用，并为微观吸附机制的定量分析提供了理论支撑。

主要技术方法
研究人员通过SEM观察气凝胶形貌，利用FTIR和XPS分析官能团变化；采用MD模拟计算金属离子扩散系数及径向分布函数，结合DFT计算吸附体系的结合能与轨道能量变化，综合验证吸附机制。