《Journal of Cleaner Production》：Synergetic high selectively Uranium(VI) adsorption via molecularly engineered tetradentate Schiff base functionalized chitosan/carboxymethyl cellulose bio-composite: From molecular design to life cycle assessment
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摘要铀的提取一直是解决水资源放射性污染和核燃料短缺问题的重要方案。开发高效的环保生物吸附剂已刻不容缓。本研究将壳聚糖（CS）与羧甲基纤维素（CMC）结合，设计了一种复合生物材料（CS/CMC），并通过一种新型非对称O-苯二胺四齿席夫碱配体（LOph）（3-溴-2-((E)-(
摘要
铀的提取一直是解决水资源放射性污染和核燃料短缺问题的重要方案。开发高效的环保生物吸附剂已刻不容缓。本研究将壳聚糖（CS）与羧甲基纤维素（CMC）结合，设计了一种复合生物材料（CS/CMC），并通过一种新型非对称O-苯二胺四齿席夫碱配体（LOph）（3-溴-2-((E)-((2-(((E)-2-氯-6-羟基苄叉)氨基)苯基)-亚氨基)-甲基)苯酚）对其进行进一步功能化，得到CS/CMC-LOph复合材料。CS/CMC-LOph复合材料对U(VI)表现出很强的结合亲和力，在pH为5、318 K、300 ppm条件下可吸附782.4 mg/g的铀酰离子。从环境角度出发（1 ppm），CS/CMC-LOph实现了显著吸附效果，24小时后去除率为99.6%，铀残余浓度为3.1 ppb，低于世界卫生组织（WHO）标准（15 ppb）。在模拟真实海水中，该材料对铀的去除率达98.7%，Kd为378663.3 mL/g。热力学研究表明该过程为吸热且自发的过程。DFT计算显示U(VI)与LOph的结合能为?54.75 kcal/mol，显著强于壳聚糖和CMC。CS/CMC-LOph表现出良好的可重复使用性，六次循环后去除能力仍为81.6%。本研究还开展了生命周期评价（LCA），以评估生产1 kg CS/CMC-LOph的环境影响。最低总成本的重用性及可持续技术的运用被证明在水处理、铀分离与回收中是有效的。
引言
核燃料——铀对核能产业的可持续发展至关重要，它最广泛地用于核裂变，为清洁能源产生零碳排放的核能，以实现可持续发展并保护生态环境（Peng et al., 2024）。核能作为一种高效实现碳达峰和碳中和（"双碳"目标）的策略之一得以实施，是因为它具有稳定性高、效率高且碳排放率合理等显著优势。然而，中国面临一个特殊的挑战，即铀资源短缺（Shang et al., 2021）。尽管具备这些优势，核能的产生仍可能造成严重的健康和环境问题（Wu et al., 2023）。具体而言，放射性铀的提取与纯化过程引发了重大的质量相关及环境关切。因此，采用适当且可持续的提取与纯化方法对于保障核电站获得足够合格铀资源至关重要。铀矿区或核设施附近的水源存在被污染的较高风险（Sun et al., 2025）。此外，传统的铀开采与提取技术仍存在诸多局限性，尤其是在效率与可持续性方面。铀开采不足、核废料管理问题以及事故都曾向环境中排放大量铀离子。铀离子的化学毒性和长期放射性使得即便是极微量的铀离子也对人体健康构成危害，根据世界卫生组织（WHO）的标准，饮用水中的铀限量为15 ppb（Zhang et al., 2024, Zhang et al., 2024）。
因此，这些风险呼吁采取适当的创新方法来去除铀离子，以保护生态系统与人类健康。此外，核废料处置与管理还需要创新的铀吸附技术（Sun et al., 2018），可持续与先进的铀提取技术需求日益迫切。最近，吸附法被认为是从水溶液中提取铀最有效的常用方法之一（Hu et al., 2026），相对于其他现有的铀提取方法，如电吸附、离子交换、膜分离和光还原等。显然，吸附法因其运行成本低廉、环境友好以及强大的吸附能力而占据主导地位（Zhang et al., 2025）。近年来，研究人员已探索了一系列用于提取铀的创新材料，包括多孔材料（Li et al., 2026; Liao et al., 2018）、肟基功能化材料（Liu et al., 2025）以及生物基材料（Wang et al., 2025）。因此，生物基材料凭借其高可生产性、可重复使用性、抗生物污染性以及可定制性，被视为一种可持续的替代方案（Helal et al., 2025）。
显然，自然资源已被大量开采，因此迫切需要从有限的资源中开发出具有高质量和高功能性的新型可持续资源。壳聚糖是一种富含氨基和羟基的阳离子多糖，其储量丰富、具有生物活性且稳定性好（Zhu et al., 2024），使其成为去除污染物（尤其是铀等有害阳离子）的高效生物吸附剂。类似地，羧甲基纤维素（CMC）是一种高度亲水的纤维素类化合物，属于低成本、可生物降解的聚合物，其含有羧酸盐和羟基，为金属离子提供了良好的结合位点（Zhang, X. et al., 2024）。另一方面，席夫碱配体已被证明可通过整合到金属有机框架（MOFs）、水凝胶、二氧化硅纳米颗粒及聚合物中，与金属离子形成配位化合物，这得益于亚胺氮原子与铀酰核心之间的相互作用（Dolatyari et al., 2016; Whitty-Léveillé et al., 2022）。根据与金属配位的活性位点及螯合位点类型不同，席夫碱配体分为单齿、双齿、三齿和四齿配体（Zhong et al., 2022）。四齿配体（N2O2）由于铀酰离子U(VI)的四价特性，对铀离子具有强烈的结合亲和力（Whitty-Léveillé et al., 2019）。此外，目前的发现强调，高吸附能力并不一定意味着更高的可持续性，因此，必须开展不可或缺的生命周期评价（LCA），以评估新型吸附剂是否具备可持续性（Shen et al., 2025）。
近期的研究报告了多种基于壳聚糖及席夫碱功能化的铀回收吸附剂（Hamed et al., 2023）。Yang等人（2024）制备了交联壳聚糖双醛席夫碱衍生物，吸附量分别为142、124和114 mg/g。Li等人（2025）制备了肟基改性壳聚糖（CS-AO），在批次条件下吸附量为596 mg/g，在海水中为243.2 μg/g。研究人员还设计了一种席夫碱功能化肟基多孔有机聚合物（OPA-PPA-AO），吸附能力为316.14 mg/g。Salem等人（2025）开发了三种席夫碱，命名为吲哚连接的壳聚糖席夫碱（C-D-O、C-D-P和C-D-B），吸附能力分别为272.8、214.2和174.7 mg/g（Yuvaraja et al., 2025）。Yang等人（2025）制备了磁性噻唑壳聚糖席夫碱微球（m-TCSBB），吸附能力为390.06 mg/g。Huang等人（2026）设计了一种植酸基壳聚糖/海藻酸钠@三聚氰胺海绵（PCSS@MS）复合材料，吸附能力为297.86 mg/g。Zhu等人（2023）展示了一种ASBP（柠檬酸改性壳聚糖/竹炭复合材料），其吸附能力为320.85 mg/g。研究人员研究了由CMC制备的O-羧甲基-N-琥珀酰壳聚糖（CMNSC）并以其肟基进行功能化对铀吸附的影响，最大吸附能力为470.3 mg/g，但仍不够有效，需要进一步改进。尽管取得了上述进展，但至今尚无将壳聚糖、羧甲基纤维素与一种非对称四齿席夫碱结合合成的报道。
尽管CS/CMC基质本身提供的吸附能力有限，即便采用更为精细的功能化策略（包括引入肟基），改进效果也仅属中等（179-470 mg/g）。为弥补这一不足，本文报道了一种新型生物复合材料（CS/CMC-LOph）的设计与合成，该方法用非对称四齿席夫碱配体（LOph）对壳聚糖-羧甲基纤维素基质进行了功能化。CS/CMC-LOph复合材料在pH为5、318 K条件下表现出782.4 mg/g的卓越最大吸附能力，具有出色的选择性、优异的低浓度性能（在竞争离子存在下从1 ppm中将U(VI)残余降至8.3 ppb），以及在真实海水中去除率达98.7%，Kd值为378663.3 mL/g。除吸附性能外，本研究还重点强调了可持续性，包括该生物复合材料的高可重复使用性以及识别主要环境影响的生命周期评价（LCA）。此外，我们成功获得了LOph-U(VI)配合物的单晶X射线结构，为强铀酰螯合机制提供了直接洞察。综合而言，本研究不仅引入了一种高效、高选择性的铀回收生物吸附剂，还建立了一个综合框架，将性能、环境安全、LCA和经济效益考量融为一体，为放射性废水修复及海水提铀的可持续材料理性设计奠定了基础。
章节摘要
合成与表征
新型非对称席夫碱通过邻苯二胺与水杨醛衍生物在乙醇中进行缩合反应合成，如图S1所示。同时，利用FTIR数据（图S1）及单晶结构（图S2）对其进行了表征。CS/CMC-LOph的制备过程如图1a所示。随后采用氢键将LOph配体固定于CS/CMC中，如图1a、图S3（表S1）所示。扫描电镜
结论
全球市场上的铀资源可获得性问题构成了重大关切，本研究提出了一种克服该问题的新方法。通过将CS/CMC与（LOph）相结合，合成了一种高效的生物复合材料。
使用绿色合成技术合成的席夫碱配体。在初始浓度为300 ppm、pH为5、温度为318 K的条件下，CS/CMC-LOph实现了782.4 mg/g的高吸附能力。改进后的
CRediT作者贡献声明
Karim Youssef Nabat：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，验证，软件，方法学，调查研究，形式化分析，数据整理，概念化。Ali Raza Ayub：验证，软件，数据整理。Hongwei Ma：软件，形式化分析，数据整理。Niu Zhang：软件，形式化分析，数据整理。Xiyan Xu：写作——审阅与编辑，可视化，验证，监督，资源，项目管理，调查研究，经费获取，数据整理，
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
感谢国家自然科学基金（22476010）和国家重点研发计划（2021YFC2102205）的支持。
Karim Youssef Nabat|Ali Raza Ayub|Hongwei Ma|Niu Zhang|Xiyan Xu|Hansheng Li|Hui Li
