ZIF-8衍生的中空碳纳米球/纤维素复合材料用于同步吸附-蒸发去除Cr(VI)污染

《Desalination》：ZIF-8-derived hollow carbon nanospheres/cellulose composites for simultaneous adsorption-evaporation Cr(VI) decontamination

　　ZIF-8衍生的中空多孔碳纳米球用于去除Cr(VI)。HPC-1000样品对Cr(VI)的理论吸附容量为294 mg g?1。构建了CNF-HPC气凝胶以实现Cr(VI)净化和清洁水回收。CNF-HPC实现了2.27 kg m?2 h?1的蒸发速率和84%的Cr(VI)去除率。引言快速工业化，特别是电镀、采矿和颜料制造业，已成为铬离子广泛释放到水环境中的主要原因[1], [2]。在水生环境中，铬主要以三价(Cr(III))和六价(Cr(VI))形式存在。与作为生物体生长必需微量元素的Cr(III)相比，Cr(VI)对水生态系统和人类健康构成严重威胁[3], [4], [5]。Cr(VI)主要以高溶解性的含氧阴离子HCrO??和CrO?2?形式存在[6]。由于其高流动性和强氧化能力，它容易穿透生物膜。这种细胞内积累随后诱导氧化应激，导致不可逆的细胞损伤和基因组不稳定性[7], [8], [9]。因此，制定高效策略去除受污染水源中的Cr(VI)对于环境修复和公共卫生优先事项至关重要[10]。传统的处理方法，如化学沉淀、电化学、膜过滤和离子交换，已被开发用于去除Cr(VI)[11], [12], [13], [14]。然而，这些方法常常受到化学试剂或能源过度消耗和高操作成本的限制[13]。在替代策略中，吸附已成为最显著的实用方法之一，因为它操作简单、高效且产生极少的二次污染，特别适用于处理重金属废水[15]。在各种吸附剂中，源自天然生物质、化石燃料和合成聚合物的碳质吸附剂已被广泛研究用于Cr(VI)去除，主要归因于其发达的孔隙结构、化学稳定性和易于合成。例如，Bai等人利用协同活化策略，从气化炉细渣中合成了具有分级结构的多孔碳，在酸性条件下表现出179.9 mg g?1的最高吸附量[16]。Zhang等人通过两步球磨法开发了生物炭@零价铁复合材料，在宽pH范围内对水中Cr(VI)表现出89.78 mg g?1的最高吸附能力[17]。具有大面积比表面积、可调孔隙率和内在氮掺杂的金属有机框架(MOF)衍生多孔碳最近已成为Cr(VI)去除的极具前景的候选材料[18], [19], [20], [21]。具体而言，由Zn2?和2-甲基咪唑配体构建的ZIF-8可以作为理想的前驱体。在热解过程中，有机配体提供碳骨架并同时引入氮官能团，而Zn物种在高温下挥发，产生多孔结构[22], [23]。然而，传统的ZIF-8衍生多孔碳通常保持致密的多面体形态，在高温处理过程中易于聚集，导致可接触比表面积减小[24], [25]。此外，它们以微孔为主的结构对Cr(VI)施加了显著的扩散阻力，导致吸附动力学缓慢和活性位点利用率低[26]。为了解决这些问题，在本工作中，我们提出了一种新颖的材料设计策略，即在ZIF-8衍生多孔碳中构建具有分级孔隙率的中空结构用于Cr(VI)去除。所得的中空多孔碳球(HPC)具有以下优点：(1)中空结构可以缩短扩散路径并促进Cr(VI)在水中的传输。(2)具有高比表面积的内在多孔壳层使吸附位点更易接近。如预期的那样，所得HPC-1000样品在初始浓度为500 mg L?1时对Cr(VI)的实验吸附容量为284 mg g?1，优于许多其他报道的吸附剂[27], [28], [29]。除了化学净化之外，淡水资源的稀缺要求同时从污染源中去除污染物以获得清洁水，这对大多数吸附剂来说仍然是一个挑战。有趣的是，HPC固有的分级孔隙率和中空结构可以通过光的多重反射改善太阳能捕获，赋予HPC显著的光热转换潜力。在此基础上，我们进一步开发了一种整体式复合气凝胶(CNF-HPC)，通过将HPC封装在可再生纤维素纳米纤维(CNF)基质中，得到一种双功能蒸发器，将高效的Cr(VI)吸附与界面太阳能蒸汽产生相结合。HPC-1000可以作为光热组件并提供铬捕获位点，而亲水性CNF骨架支持水输送到蒸发界面。在典型的1 kW m?2条件下，CNF-HPC在Cr(VI)污染水(200 mg L?1)中表现出1.97 kg m?2 h?1的水蒸发速率，这为Cr(VI)去除提供了一个多功能材料平台和一举两得的净化策略。章节摘要羧化聚苯乙烯(PS)微球的制备根据早期报道[28]，将苯乙烯(10 mL)、甲基丙烯酸甲酯(0.6 mL)、丙烯酸(0.46 mL)和100 mL含有碳酸氢铵(245 mg)的水溶液置于三颈烧瓶中。将混合物在油浴中加热并搅拌。当温度达到70 °C时，加入过硫酸钾(0.26 g)。然后将温度升至80 °C，继续反应12 h。通过离心收集材料并用...（此处内容截断）合成与结构表征采用可行的模板法制备中空碳球(HPC)，如图1a所示。表面改性的聚苯乙烯(PS)纳米球用作可降解模板。然后，通过2-MeIM和Zn(NO?)?·6H?O的配位组装在PS纳米球外表面形成ZIF-8纳米颗粒，从而产生核壳PS@ZIF-8结构(图1b)。通过将PS@ZIF-8复合物浸泡在DMF中去除PS模板，获得中空结构(H-ZIF-8)。结论我们成功地通过简单实用的硬模板法合成了源自ZIF-8的具有可调分级孔隙率的多孔中空碳纳米球(HPC)。优化的HPC-1000具有844 m2 g?1的广阔比表面积，对Cr(VI)表现出卓越的吸附性能，达到294 mg g?1，优于许多其他多孔吸附剂。准二级动力学和Langmuir等温线方程描述的铬捕获动力学表明主要...CRediT作者贡献声明Hanxue Sun和An Li设计了这项工作。Jie Sheng和Aying Man撰写了原始草稿。Aying Man合成了样品。Rui Jiao和Aying Man完成了结构分析。Jie Sheng和Jiyan Li分析了测试数据。Hanxue Sun负责资金获取。所有作者都参与了稿件的撰写和修改。利益冲突声明作者声明，他们不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本论文中报告的工作。致谢感谢甘肃省杰出青年科学基金(23JRRA808)、中国科学院西部之光人才计划(项目编号：23JR6KA026)和陇原青年人才项目的支持。Jie Sheng|Aying Man|Rui Jiao|Jiyan Li|Hanxue Sun|An Li