论文推荐2312|宏观MOF/壳聚糖复合材料对磷的有效吸附及电化学驱动鸟粪石沉淀法回收磷的初步研究

文摘   2024-11-07 07:09   北京  


202312月,国际期刊International Journal of Biological Macromolecules》期刊在线发表了题为“Efficient adsorption of phosphorus by macroscopic MOF/chitosan composites and preliminary investigation of subsequent phosphorus recovery through electrochemically-driven struvite precipitation”的研究性论文。通过在壳聚糖基质和PDA涂层中原位生长,成功制备了新型聚多巴胺功能化的宏观MOF-生物聚合物复合珠(PDA@CS-Ce-MOFPDA@CS-Ce-MOF可以有效地吸附实际磷废水中的磷,富磷洗脱液可以通过牺牲镁电极的ESP快速转化为鸟粪石。International Journal of Biological Macromolecules》是Elsevier旗下重要期刊,该期刊2024年影响因子为7.7,主要刊登生物-生化与分子生物学方向,属于化学类Top期刊与中科院化学1区期刊。


第一作者:骆华勇(广州大学)

通讯作者:骆华勇 荣宏伟

通讯单位:广州大学

        https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.128707


识别上方二维码查看全文


对废水中磷的适当管理是考虑可持续发展的关键。在此,我们开发了一种策略,结合通过定制吸附剂吸附和电化学驱动的鸟粪石沉淀ESP来回收磷。采用Ce-MOF复合珠材料,制备了新型聚多巴胺修饰的Ce-MOF/壳聚糖复合珠PDA@Ce-MOF-CS。对PDA@Ce-MOF-CS的理化性质进行了表征。采用间歇柱和固定床柱实验对其吸附性能进行了评价。PDA@Ce-MOF-CS去除磷选择性良好,pH 3318 K时最大吸附能力为161.13 mg P/g,该吸附剂在10次再生循环后具有良好的可重复使用性和良好的吸附稳定性。高效吸附的主要机制包括静电吸引、表面沉淀和配体交换。有趣的是,PDA@Ce-MOF-CS在处理实际富含磷电镀废水后表现出显著的92.86 mg P/g吸附能力,洗脱液中洗脱后的P可以通过ESP有效回收并转化为鸟粪肥的固体肥料。总之,利用宏观MOF结构从废水中回收磷提供了新的研究方向。



在现有的磷去除技术中,吸附技术操作简单、即使在低浓度下也有高效的磷回收率、低成本和几种吸附剂的可重用性。无机有机混合多孔材料金属有机框架(MOF)协调内部金属簇或离子与外部有机桥接配体,可以有效吸附不同的污染物,且具有由于其巨大的比表面积,丰富的活性网站,结构多样性和可调属性等优点。然而,采用简单的共混方法制备的MOF-聚合物复合材料经常存在颗粒聚集和颗粒-基质相互作用差,而原位MOF生长是一种很有前途的策略。通过原位生长将对P具有强亲和力的MOF封装到聚合物基质中,可以提供较高的吸附性能和合理的可回收性,从而降低了实际水处理应用中的经济成本。利用富磷洗脱液作为固体肥料产品的后续沉淀,其中传统的鸟粪石工艺没有被广泛采用,是因为需要良好的溶液条件,合适的pH和所需的摩尔比Mg2+/NH4+/PO43−。近年来,利用Mg牺牲阳极进行的电化学驱动的鸟粪石沉淀(ESP)由于能有效回收高纯度的鸟粪石、减少化学加成和/pH调整而引起了人们的极大关注。在本研究中,提出了新型的PDA@Ce-MOF-CS作为原位生长结合PDA涂层的吸附剂,并对其进行探索。

1

1、制备了新型聚多巴胺修饰的Ce-MOF-CS复合微球;

2、复合微珠对磷具有较高的吸附能力;

3、复合微球具有良好的可重复使用性和吸附稳定性;

4、探讨了磷在复合微珠上的吸附机理;

5、解吸后的磷通过电除尘器可以有效地回收为鸟粪石。



首先制备了铈壳聚糖(Ce-CS)复合珠,作为CS基质上均匀稳定MOF生长的前体,其次采用溶剂热技术合成Ce-MOF/壳聚糖珠(Ce-MOF-CS),再利用PDACe-MOF-CS的表面改性得到PDA@Ce-MOF-CS的产最后合成的珠子在使用前被清洗、冷冻和储存。

1. PDA@Ce-MOF-CS复合材料珠子的制造示意图

这些珠子呈球形,直径约为2.0 mm,颜色呈深棕色。典型的深色是由于PDA 的表面功能化。然后通过扫描电镜观察珠子的形态和表面细节

2 Ce-MOF-CSPDA@Ce-MOF-CSSEM图像.(a) Ce-MOF-CS(d) PDA@Ce-MOF-CS(g)磷酸盐吸附PDA@Ce-MOF-CS的概述;Ce-MOF-CS(b)低倍和(c)高倍的表面形貌;PDA@Ce-MOF-CS分别在低倍率(e)和在高倍率(f)下的表面形态;磷灰石吸附PDA@Ce-MOF-CSh)在低倍率(h)和高倍率(i)下的表面形貌图

为了确定PDA@Ce-MOF-CS吸附前后的化学结构,FTIR光谱如图3a所示。收集XRD光谱,分析了吸附前后PDA@Ce-MOF-CS吸附前后的相组成(图3b)。PDA@Ce-MOF-CS在零电荷点(pHpzc)处的pH值约为6.7(图3c)。

3 PDA@Ce-MOF-CS在磷酸盐吸附前后的(a) FTIR光谱.吸附前后PDA@Ce-MOF-CS吸附前后的(b) XRD模式.(c)PDA@Ce-MOF-CS的零电荷点的pHpHpzc

溶液pH是通过改变吸附剂的磷酸盐种类和表面电荷来影响磷酸盐去除的关键因素

4 (a)初始pHPDA@Ce-MOF-CS吸附磷酸盐的影响.(b)磷酸盐种类的分布作为pH的功能

共存的阴离子对溶解的有机物的影响在实际的水体中,一些共存的阴离子和溶解的有机物DOM以与磷酸盐竞争吸附位点。5显示了所选的常见阴离子(Cl, NO3, SO42−, HCO3)黄腐酸HA和富维酸(FA)对PDA@Ce-MOF-CS除磷酸盐的影响。

5 共存阴离子和溶解有机物对PDA@Ce-MOF-CS(a) Cl, (b) NO3, (c) SO42−, (d) HCO3, (e)腐殖酸(HA)和(f)黄腐酸(FA)吸附磷酸盐的影响

为了确定吸附速率和达到平衡所需的时间,我们进行了吸附动力学实验。
6 用伪一阶模型和伪二阶模型拟合的(a)动力学曲线.(b)Elovich模型拟合得到的动力学曲线.(c)粒子内扩散建模曲线.(d)等温线由LangmuirFreundlich模型拟合

可重复利用性是评价吸附剂在实际废水处理中的应用潜力的关键因素。
7 (a)循环时间对PDA@Ce-MOF-CS吸附-解吸行为的影响.(b)PDA@Ce-MOF-CS的磷酸盐固定性能

为了进一步了解去除磷酸盐的机理,我们研究了PDA@Ce-MOF-CSpH 3下吸附前后的XPS光谱。

8 磷酸盐吸附后PDA@Ce-MOF-CS前后的XPS分析: (a)宽扫描谱;(b) P 2p;(c) O 1s;(d) N 1s

9 PPDA@Ce-MOF-CS上吸附的可能机理示意图

10 所获得的沉淀物的(a)扫描电镜图像.回收的沉淀物和标准鸟粪石的(b) XRD模式

1近年来各种吸附剂的最大磷酸盐吸附能力(qm)的比较



综上所述,通过在壳聚糖基质和PDA涂层中原位生长,成功制备了新型聚多巴胺功能化的宏观MOF-生物聚合物复合珠(PDA@CS-Ce-MOF)。得益于Ce-MOFPDA的结合性能,近年来所开发的吸附剂的最大吸附能力为161.13 mg P/g,优于其他许多吸附剂。此外,PDA@CS-Ce-MOFpH 6-9范围内表现出可接受的吸附能力,在Cl, NO3SO42−等高浓度的废水中对磷酸盐具有良好的选择性,适用于实际废水中的磷去除。PDA@CS-Ce-MOF具有快速的吸附动力学特性,用PSO动力学模型可以很好地拟合吸附数据。等温线和热力学研究表明,吸附过程可能是一种非均相和多层吸附,它是自发的和吸热的。经过10个连续循环后,珠粒显示出良好的可重复使用性(保持在原有吸附容量的67 %以上)和吸附稳定性。动态柱试验表明,在固定床体积下,2g吸附剂能有效地去除合成溶液中的P。吸附机理主要包括静电吸引、表面沉淀和配体交换。重要的是,PDA@CS-Ce-MOF可以有效地吸附实际富磷废水中的磷,富磷洗脱液可以通过牺牲镁电极的ESP快速转化为鸟粪石。尽管选择了最合适的吸附剂,并在特定情况下进一步进行了工艺优化,但采用PDA@CS-Ce-MOF进行了高亲和力和选择性的吸附/解吸-ESP工艺,证明了从实际废水中回收磷的技术可行性。


Huayong Luo, Binhua Liu, Mingxuan Zhang, Chunhai Wei, Qingwu Long, Shida Pan, Juexi Zeng, Hongwei Rong. Efficient adsorption of phosphorus by macroscopic MOF/chitosan composites and preliminary investigation of subsequent phosphorus recovery through electrochemically-driven struvite precipitation:International Journal of Biological Macromolecules 257 (2024) 128707.https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.128707.

识别二维码,

阅读英文原文。



胡春丹-阳光净水课题组

【翻译与材料整理】胡春丹,资源与环境专业硕士研究生,研究方向:生物基环境功能材料在水污染控制工程领域应用。






识别上方二维码查看全文



识别上方二维码查看全文




识别上方二维码查看全文



识别上方二维码查看全文




识别上方二维码查看全文




识别上方二维码查看全文


识别上方二维码查看全文


识别上方二维码查看全文

免责声明:

1、公众号分享国际环境与能源功能材料【生物质(壳聚糖、纤维素、木质素、海藻酸等)功能材料、新型吸附材料、碳基(石墨烯、碳纳米管、碳量子点、生物炭、富勒烯等)材料、MOFs/HOFs/COFs材料、光催化材料、Fenton材料、产氢材料、太阳能蒸发材料等】相关前沿学术成果,以及其它相关数据处理方法、论文写作和论文投稿等信息,无商业用途。本公众号尊重原创和知识产权人的合法权利。如涉及侵权,请立刻联系公众号后台或发送邮件,我们将及时修改或删除。

2、部分图片和资源来源网络或转摘其它公众号!凡注明"来源:xxx(非本公众号)"的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责,且不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。
3
、外文文献翻译目的在于传递更多国际相关领域信息。外文文献由课题组研究生翻译,因学识有限,难免有所疏漏和错误,请读者批判性阅读,也恳请大家批评指正。

4、欢迎环境与能源材料相关研究成果提供稿件,环境与能源功能材料公众号将会及时推送。联系邮箱:99282304@qq.com

5、欢迎壳聚糖相关研究人员加入壳聚糖技术交流群。联系微信号:18358609860
课题组主页:

https://www.x-mol.com/groups/qiwang

https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue
 

识别上方二维码访问课题组主页


 

点击阅读原文可以链接原文

MOFs帮助环境
推送MOFs基环境功能材料在环境污染控制领域的研究进展。
 最新文章