《Materials Science and Engineering: B》：Promising synthesis of metal azolate frameworks (MAF-5) for efficient Pb(II) removal from aqueous solution
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MAF-5金属有机框架对Pb(II)的吸附性能、机制及再生能力研究，系统考察了pH、温度、吸附剂剂量等参数影响，发现其吸附容量达1012.66 mg/g，在多金属系统中表现出高选择性和稳定性，再生后仍保持96%去除效率，为废水处理提供新材料。
埃斯拉·伊尔马兹·梅尔特索伊（Esra Y?lmaz Mertsoy）| 塞兹金·亚萨（Sezgin Yasa）| 梅赫塔普·奥泽克梅克吉（Mehtap Ozekmekci）
土耳其昌克尔里（?ank?r?）卡拉特金大学（?ank?r? Karatekin University），工程学院，化学工程系，邮编18100
摘要
本研究全面探讨了金属有机框架材料MAF-5对铅（Pb(II)）的吸附性能，并评估了其作为废水处理有效吸附剂的潜力。分析了MAF-5的特性表面形态、孔隙率和化学稳定性。研究了多个参数对吸附过程的影响，包括吸附剂用量、介质pH值、温度和接触时间。伪二级动力学模型和朗缪尔（Langmuir）模型适用于描述MAF-5的吸附过程，在100 mg/L的铅（Pb(II)浓度、0.125 g/L的吸附剂用量以及25 ml溶液的条件下，测得铅（Pb(II)的最大吸附容量为1012.66 mg/g。在30°C、接触时间为30分钟时，去除效率超过99%。通过对吸附剂进行多种表征分析，确定了其吸附机制。吸附行为表明主要是可逆的物理吸附作用，同时有一部分铅（Pb(II)通过更强的位点特异性相互作用被保留，这与观察到的再生能力和洗涤后残留的铅含量一致。该吸附剂在重复使用后的性能依然优异，第二次使用后仍能去除96%的铅。这些结果表明，MAF-5是一种有前景的废水重金属去除材料。MAF-5在水溶液中表现出超高的吸附性能同时保持结构稳定性，显示出其在实际废水处理应用中的巨大潜力。在多金属体系中，其对铅（Pb(II)的优先吸附能力体现了其在竞争性条件下的选择性和有效性。
引言
随着工业发展、城市化和技术进步，废水中的重金属离子逐渐积累，引发了诸多环境和健康问题。由于这些重金属不可生物降解，它们会在环境中长期存在，对土壤、水资源和生态系统造成负面影响[1]、[2]、[3]。尤其是铅，由于其高化学稳定性和毒性，被认为是最危险的重金属之一[4]、[5]。尽管自然界中不存在游离态的铅，但它主要通过电镀、采矿、电池生产、涂料、印刷、陶瓷和化工等行业产生的废水释放到环境中[6]、[7]、[8]、[9]。重金属的无控制排放会对环境造成负面影响，并可能通过食物链在生物体内积累[10]。铅易溶于水，因此在自然界中易于传播。从人类健康角度来看，铅可通过消化、呼吸和皮肤进入人体，引发严重的健康问题，即使在低浓度下也会导致肾衰竭、神经系统损伤和儿童发育迟缓[11]、[12]。世界卫生组织的数据表明，饮用水中的铅含量不应超过10 μg/L[13]。因此，从人类健康和环境保护的角度来看，可持续保护水资源至关重要。
目前有多种化学和物理方法用于去除废水中的铅，包括化学沉淀、离子交换、电凝聚、膜工艺、生物吸附和吸附[14]、[15]。虽然这些方法各有优势，但也存在局限性，如低浓度下的吸附效率低、能耗高、再生复杂以及易发生污染等问题[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。因此，吸附作为一种易于应用且经济的方法，被认为是去除重金属的有效手段[11]、[21]。吸附是指溶液中的金属离子与固体表面通过物理或化学作用结合的过程。研究表明，范德华力、静电吸引、离子交换、配位结合等多种机制可能在此过程中起作用[22]。
多种天然和合成吸附剂已被用于去除铅。活性炭因其高比表面积和孔隙率而成为最常用的吸附剂之一，但其使用受到生产成本和再生困难的限制[23]、[24]。天然沸石、粘土矿物和生物吸附剂（如基于藻类、真菌和植物废物的结构）是低成本且环保的替代品，但由于吸附能力低和稳定性问题，它们的效果有限[25]、[26]、[27]。近年来，包括纳米材料、聚合物复合材料和金属有机框架（MOFs）在内的先进吸附剂体系引起了广泛关注[28]、[29]。金属有机框架（MOFs）是由金属离子或金属簇中心与有机配体配位形成的晶体杂化材料，具有非常高的比表面积（通常>1000 m2/g）、可调节的孔径大小以及可化学修饰的表面。这些特性使MOFs成为高效的重金属吸附剂[30]、[31]、[32]。文献表明，金属有机框架（MOFs）对铅（Pb(II)）的吸附能力很强，例如HKUST-1（Cu-BTC）的吸附容量为249.4 mg/g，ZIF-8为92.74 mg/g，UiO-66为189.8 mg/g，MIL-101(Fe)为214.6 mg/g[33]、[34]、[35]、[36]。本研究中使用MAF-5去除铅（Pb(II)，旨在超越现有文献中的吸附容量并提高去除效率。
MAF-5（金属氮杂化物框架-5，Metal-Azolate Framework-5）是一种新型金属有机框架（MOF），具有较大的孔体积、疏水特性和高化学稳定性，使其成为去除废水中的铅的理想材料。MAF-5是一种三维金属有机框架（MOF）结构，由锌（Zn2?）离子与氮杂化物衍生物（特别是2-乙基咪唑）通过配位键形成[37]。由于其结构中的氮杂化物配体，它在水环境中保持稳定并具有化学稳定性[38]。
关于MAF-5的合成和实际应用的研究在文献中较为有限，尤其是在基于吸附的环境应用方面。据我们所知，目前尚无研究报道使用MAF-5去除铅（Pb(II)离子的情况，这表明该领域存在明显的研究空白，需要进一步探索。在代表实际废水条件的多金属体系中研究吸附过程对于评估吸附剂性能至关重要。因此，首次系统研究MAF-5对铅（Pb(II)离子的去除效果、详细解释其吸附机制以及考察其在多金属去除中的选择性，将填补文献中的这一空白。
本研究采用MAF-5去除废水中的铅（Pb(II)离子。详细分析了MAF-5的结构，并解释了吸附过程机制，同时评估了吸附等温线和动力学行为。还进行了重复使用测试以评估MAF-5的吸附性能。其高吸附容量、结构稳定性和环境可持续性是其潜在优势。本研究为基于MOF的吸附剂在废水处理中的应用提供了新的见解。
材料与方法
氧化锌（ZnO）、六水合硝酸钴（Co(NO?)?·6H?O）、乙基咪唑（eIM，C?H?N?）、氨水（NH?OH）、乙醇（C?H?OH）、环己烷（C?H??）、硝酸铅（Pb(NO?)?）、六水合氯化钴（CoCl?·6H?O）和六水合硝酸镍（Ni(NO?)?·6H?O）均从默克公司（Merck）购买，无需进一步纯化即可使用。
金属氮杂化物框架的合成
合成过程按照文献[39]进行。首先，将1.14克ZnO溶解在200毫升氨水和50毫升去离子水中
表征
图1(a–h)展示了MAF-5的形态和元素分析结果。图1(a和b)显示了MAF-5的多面体球形结构，而图1(c–g)证实了MAF-5中含有C、N、O和Zn元素。图1(h)显示了各元素的含量，证明MAF-5的成功制备。
图2a中的MAF-5 FTIR光谱显示C-H芳香族伸缩振动峰位于2970 cm?1
结论
本研究通过XRD、FT-IR、SEM-EDS、BET等技术合成了MAF-5并进行了表征，并将其用于铅（Pb(II)的吸附实验。与文献中提到的“pH值不应高于6否则会发生沉淀”的观点相反，实验在pH 7.6下进行，未观察到沉淀现象。实验表明，随着pH值的升高，去除率增加，在pH 7.6时达到99.75%
CRediT作者贡献声明
埃斯拉·伊尔马兹·梅尔特索伊（Esra Y?lmaz Mertsoy）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、软件应用、资源准备、方法设计、实验设计、数据分析、概念构建。塞兹金·亚萨（Sezgin Yasa）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据验证、资源准备、方法设计、实验设计、数据分析、概念构建。梅赫塔普·奥泽克梅克吉（Mehtap Ozekmekci）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、软件应用、方法设计、实验设计、数据分析、概念构建。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
