【MOF污水处理】：通过静电纺丝法制备ZIF-94/PAN纳米纤维用于废水中Co(II)的去除

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摘要：
重庆科技大学袁果园老师等报道的本篇文章（Sci Rep 14, 414 (2024) ）旨在通过静电纺丝法将ZIF-94掺入聚丙烯腈(PAN)中，合成一种新型金属有机框架(MOFs)基纳米纤维吸附剂ZIF-94-PAN。研究发现，ZIF-94-PAN复合材料中ZIF-94的最佳负载量为8%。在pH 8.3和298 K条件下，ZIF-94-PAN-8%对钴离子的平衡吸附量达到139.08 mg/g。此外，钴离子的吸附动力学符合拟二级模型，而Freundlich等温线模型的拟合表明吸附过程是非均相的、吸热的。XPS分析揭示了吸附机理的特点是ZIF-94-PAN中的氮原子和氧原子与钴离子配位。本研究通过将MOFs制备成纳米纤维，有效解决了MOFs吸附剂分离和回收的难题。ZIF-94-PAN纳米纤维出色的吸附性能和稳定性凸显了其在去除含钴废水方面的应用潜力。

研究背景：
(1) 钴是一种典型的有毒重金属元素，被归类为2B类致癌物，进入水体会通过食物链放大影响，在人体器官中蓄积，具有慢性毒性风险。
(2) 目前钴离子的处理方法包括吸附、膜分离、电解、化学沉淀和离子交换等，其中吸附法因其简单高效而在实际应用中占主导地位。但传统吸附剂存在成本高、再生困难等问题，亟需开发新型高效吸附剂。
(3) 金属有机框架(MOFs)材料具有比表面积大、孔体积高、化学稳定性好、孔径可调、官能团多等优点，非常适合用于重金属如钴的吸附。但MOFs粉体存在吸附分离过程中易堵塞管路、团聚导致吸附量下降、回收再利用困难等局限性。本文作者提出采用静电纺丝法制备MOFs纳米纤维，将MOFs粉体转化为嵌入聚合物纳米纤维中的自支撑柔性MOFs纳米纤维，可简化材料的重复使用，提高其实用性。

实验部分：
(1) 合成了ZIF-94作为MOFs填料。
(2) 以PAN为基底，通过静电纺丝法制备了不同ZIF-94掺杂量(4%、8%、12%)的ZIF-94-PAN复合纳米纤维。
(3) 系统表征了制备的ZIF-94和ZIF-94-PAN的结构与性质。
(4) 通过批次实验评估了MOFs纳米纤维对钴离子的分离性能、稳定性和可回收性，考察了pH、时间、浓度、温度等参数的影响。
(5) 实验发现，ZIF-94掺杂量为8%时制得的ZIF-94-PAN-8%纳米纤维对钴离子的吸附性能最佳，在pH 8.3、298K条件下的平衡吸附量高达139.08 mg/g，实现了MOFs基吸附剂性能的突破。

分析测试：
(1) XRD和FT-IR表征证实了ZIF-94-PAN复合材料的成功制备，ZIF-94在复合材料中保持了完整的晶体结构。
(2) SEM和EDS分析表明，ZIF-94含量为8%的复合纤维分散性最佳，而4%时ZIF-94分布稀疏，12%时出现明显团聚，堵塞了孔道。
(3) BET分析发现，随ZIF-94含量从4%增至8%，比表面积和孔体积同步增加，但继续增至12%时出现下降，与SEM观察一致。ZIF-94-PAN-8%的比表面积可达310.5 m2/g。
(4) 吸附动力学研究表明，钴离子在ZIF-94-PAN-8%上的吸附符合拟二级动力学模型(R2=0.999)，表明吸附过程主要受化学吸附控制。
(5) 等温线研究发现，钴离子吸附更符合Freundlich模型(R2=0.978)，说明吸附过程是非均相的。热力学分析表明吸附为自发进行的吸热过程。
(6) XPS分析揭示，吸附机理主要是咪唑环上C=N和-CHO上的氧原子与Co(II)配位。

总结：
(1) 本文成功制备了以PAN为基体的ZIF-94-PAN复合纳米纤维，有效解决了MOFs粉体回收难题。
(2) ZIF-94负载量为8%时性能最佳，对钴离子的吸附量高达139.08 mg/g。
(3) 吸附动力学符合拟二级模型，等温线符合Freundlich模型。
(4) 循环4次后吸附效率仍保持初始吸附量的95%，表明ZIF-94-PAN-8%纳米纤维在废水处理领域具有重大应用前景。

展望：
(1) 实际废水体系的组成远比模拟废水复杂，进一步考察共存离子的影响和选择性吸附。
(2) 材料的制备成本和工艺放大仍需进一步优化和评估，为工业化应用提供技术经济数据支撑。

Facile construction of ZIF-94/PAN nanofiber by electrospinning for the removal of Co(II) from wastewater
文章作者：Cong Yin, Yinyin Peng, Hongjiang Li, Guang Yang & Guoyuan Yuan
DOI：10.1038/s41598-023-50796-9
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41598-023-50796-9