羧甲基纤维素/聚乙烯亚胺封装钒金属有机框架的合成、表征及Box-Behnken优化高效去除废水中Pb(II)离子

针对工业废水中Pb(II)离子污染难题，研究人员开发了一种新型生物基复合吸附剂VMCP，通过将钒金属有机框架(V-MOF)封装于羧甲基纤维素(CMC)/聚乙烯亚imine(PEI)基质中，经环氧氯丙烷交联制得。该材料具有368.4?m2 /g比表面积和360.6?mg/g的Pb(II)吸附容量，遵循Langmuir等温模型和准二级动力学，经Box-Behnken设计优化后展现出优异的循环稳定性，为重金属废水治理提供了可持续解决方案。

　　

随着工业活动加剧，铅(Pb(II))等重金属对水体的污染已成为全球性环境危机。铅具有环境持久性和生物累积性，即使微量暴露也可导致神经系统损伤、肾功能障碍等严重健康问题。传统吸附材料如活性炭存在效率低、选择性差等局限，而新兴的金属有机框架(MOFs)虽具有高比表面积和可调孔隙，却面临水稳定性差、回收困难等挑战。为此，由Imam Mohammad Ibn Saud Islamic University资助的研究团队创新性地将钒基MOF(V-MOF)与生物聚合物复合，开发出兼具高吸附性能和环境友好特性的VMCP材料，相关成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》。

研究采用室温溶剂法合成V-MOF，通过XRD、SEM-EDX、FT-IR和氮气吸附-脱附等技术表征材料特性，结合Box-Behnken实验设计优化吸附条件。批量吸附实验系统考察了pH、温度等参数影响，并通过Langmuir、Freundlich等温模型和动力学分析揭示吸附机制。

【X-ray衍射(XRD)图谱】显示VMCP在2θ≈30°、40°、50°和60°处出现尖锐衍射峰，证实其高度结晶性。氮吸附测试揭示材料具有368.4?m²
/g比表面积和1.7?nm平均孔径的介孔结构，为Pb(II)提供丰富活性位点。

【吸附性能】在pH=5、25℃条件下，VMCP对Pb(II)的最大吸附量达360.6?mg/g，远超多数报道的MOF基吸附剂。热力学参数ΔH°>0和ΔS°>0表明吸附为自发吸热过程，准二级动力学模型(R²

0.99)证实化学吸附是限速步骤。XPS分析揭示Pb(II)与材料中羧基、氨基的配位作用是主要吸附机制。

【可重复性】经5次吸附-脱附循环后，VMCP仍保持90%以上初始效率，环氧氯丙烷交联显著提升了材料机械强度和化学稳定性。

该研究通过精准整合V-MOF的配位能力与生物聚合物的功能特性，创造了性能卓越的绿色吸附材料。VMCP不仅解决了MOFs水稳定性差的问题，其生物降解性还避免了二次污染。研究采用的Box-Behnken设计为工业化应用提供了可靠参数，而材料优异的再生性显著降低了运营成本。这项工作为开发下一代环境修复材料提供了范式，同时推动了MOF-生物聚合物杂化系统在可持续水处理领域的应用。