锆-鞣花酸框架原位生长碳酸钙高效吸附农业灌溉水中铍(II)的研究

推荐：针对农业灌溉水中Be(II)污染问题，研究人员通过锆-鞣花酸框架(SU-102)原位生长CaCO3构建复合吸附剂CaCO3@SU-102，实现78.92 mg/g的最大吸附容量，20分钟快速平衡，且再生效率超85%。该材料通过静电作用、表面络合和阳离子-π作用三重机制高效去除Be(II)，为农业水系统重金属治理提供新策略。

　　

论文解读
铍(Be)作为核能与航空航天领域的关键材料，其工业应用导致农业灌溉水污染问题日益严峻。Be(II)不仅会引发慢性铍病和肺癌风险，还通过抑制叶绿素合成严重影响作物产量。尽管生物炭等传统吸附材料已用于Be(II)去除，但其在复杂水体中的选择性和容量仍受限。金属-有机框架(MOF)因其可调控的孔隙结构和表面化学性质成为新兴解决方案，但传统MOF存在潜在毒性问题。

为解决这一难题，中国研究人员以植物源性MOF SU-102（锆-鞣花酸框架）为基底，通过共沉淀法原位生长CaCO₃，开发出绿色复合材料CaCO₃@SU-102。研究通过SEM、XRD、FT-IR和XPS证实材料成功合成，其中CaCO₃均匀分布于SU-102表面及孔隙内，比表面积达318.7 m²/g。在pH 6.0、25℃条件下，该材料对Be(II)的Q_max达78.92 mg/g，较未改性SU-102提升2.3倍，且20分钟内即可达到吸附平衡。

关键实验技术
研究采用水热法合成SU-102，通过共沉淀负载CaCO₃；运用2D-FTIR-COS解析作用机制序列；结合DFT计算预测表面络合物结构；通过动态柱实验验证实际水样处理效果（模拟地下水与真实灌溉水）。

研究结果

1. 材料表征：SEM显示CaCO₃@SU-102形成珊瑚状分级结构，元素映射证实Ca、C、O均匀分布。XPS揭示吸附后Be 1s峰出现，证实Be(II)成功固定。
2. 吸附性能：在竞争离子(Ca²⁺/Mg²⁺)存在下，材料对Be(II)的选择系数K_d仍达4.25×10³ mL/g。五次循环后再生效率保持85.7%。
3. 作用机制：2D-FTIR-COS表明低浓度时络合主导（羧基振动带1640 cm^-1），高pH时静电作用增强。DFT模拟确定主要表面物种为Be(OH)₂、BeCO₃Ca和Be₂(OH)₂CO₃Ca。

结论与意义
该研究开创性地将生物相容性MOF与碳酸钙修饰相结合，通过多尺度表征与理论计算阐明Be(II)去除的分子机制。材料在真实水样中仍保持57.31-73.87 mg/g的吸附容量，且制备成本仅为传统MOF的1/3。发表于《Journal of Hazardous Materials》的这项成果，为农业水系统重金属治理提供了兼具高效性与环境友好性的解决方案，对保障粮食安全和生态健康具有重要实践价值。