今日推送：CEJ综述‖沸石咪唑骨架(ZIF-8)基纳米复合材料吸附水中重金属的研究进展

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文章标题

A comprehensive review on the adsorption of heavy metals by zeolite imidazole framework (ZIF-8) based nanocomposite in water

文章亮点

（1）综述了ZIF-8表面修饰和功能化效果

（2）评价了ZIF-8及其复合材料在重金属去除方面的应用

（3）探讨了多种因素对ZIF-8的限制及实际应用潜力

（4）对重金属去除的机制采用多种方法进行解析

（5）为ZIF-8基材料的研究提供了理论基础和新思路

摘要详文

（1）沸石咪唑骨架-8（ZIF-8）是一种金属有机框架（MOF）合成材料，具有巨大的比表面积、多样化的结构、可调节的孔径、易于设计和控制的孔隙表面特征，在去除重金属（HMs）方面显示出良好的应用潜力。

（2）这使得它成为废水处理中非常抢手的材料。然而，其他ZIFs颗粒在水溶液中容易结块，导致吸附能力下降。此外，在去除污染物后很难将它们从水中分离出来，具有较差的可回收性。然而，基于ZIF-8的复合材料（ZBC）解决了上述问题，并成功应用于废水处理中的HM。

（3）本综述总结了ZBC的合成设计方法，概述了影响因素、理论计算和基于ZBC的HM去除行为的特征，以及可能的相互作用途径。试图为ZBC在实际废水处理中的应用奠定机理上的见解，并为高效ZBC吸附剂的构建提供新的思路。

（4）此外，还客观地比较了ZIF和其他系列金属有机框架材料去除HM离子的性能。最后，讨论了ZBC在未来环境污染处理中的问题和方向，以指导这种材料的开发和实际应用。

图文摘要

图文内容

到目前为止，许多文献和专著都回顾了MOF基复合材料的基本理论和应用，其合成策略和重要的物理化学特性也被频繁提及。然而，很少有专门的评论报道ZIF-8在环境应用方面的最新进展，特别是在用ZIF-8及其衍生物消除水中的HM离子方面。因此，这项工作对最近2-3年内发表的用于去除污水中HMs的ZBC进行了总结和评估。本综述总结了ZBC的合成设计方法，概述了影响因素、理论计算和基于ZBC的HM去除行为的特征，以及可能的相互作用途径。还讨论了ZBC在水处理应用中的挑战和前景。本文很好地介绍了ZBC在捕捉HM离子方面的应用，并促进了ZBC在环境污染管理方面的实际应用研究。

图1. 基于ZIF-8的材料吸附去除Pb(II)离子的示意图。(a) ZIF-8/67的合成以及水溶液中Pb(II)和Hg(II)的净化机制示意图；(b) ZIF-8-Fe复合材料对Pb(II)的选择性去除示意图；(c) ZIF-8的合成及其与石墨烯（GO）的相互作用示意图。(d) Fe3O4@ZIF-8的合成过程及对Pb(II)和Cu(II)的吸附机制示意图；(e) ZIF-8及其复合材料(PHCS-15@ZIF-8)对Pb(II)的吸附能力及吸附机制示意图；(f) ZIF-8及其复合材料（ZIF-8@CA）的合成及对Pb（II）的吸附示意图

图2. 基于ZIF-8的材料通过吸附去除Cr(VI)离子的示意图。(a) ZIF-8通过静电吸引去除Cr(VI)的示意图；(b) CF@LDH@ZIF-8复合材料的合成以及Cr(VI)去除和回收的示意图；(c) ZIF-8复合材料对水溶液中Cr(VI)的吸附机制示意图。(d) ZIF-8复合材料的制备步骤示意图；(e) 光催化ZIF-8复合材料对六价铬的转化机制示意图；(f) ZIF-8复合材料的合成步骤及六价铬转化机制示意图

图3. 基于ZIF-8材料的吸附去除As(III)离子的示意图。(a) Fe3O4@ZIF-8的合成过程、As(III)的去除以及磁分离的示意图；(b) Fe3O4@ZIF-8的合成过程以及As(III)和Cu(II)的去除机制示意图；(c) ZIF-8改性前后的SEM示意图；(d) ZIF的合成以及去除As(III)的化学关系示意图

图4. 基于ZIF-8的材料吸附去除Cd(II)和Cu(II)离子的示意图。(a) ZIF-L/GO的络合过程和Cd(II)的去除机制示意图；(b) ZIF-8的结构式和去除Cu(II)的结构示意图；(c) ZIF-8复合材料的合成，对Cu(II)的选择性吸附，以及去除机制的示意图；(d) 以Fe3O4为芯、ZIF-8为壳的复合材料去除Cu(II)的示意图

图5. 影响ZIF-8基材料吸附去除重金属离子的参数示意图。(a) 吸附剂用量; (b) pH; (c) 离子强度; (d) 吸附时间; (e) 初始浓度

图6. 基于ZIF-8的材料表征分析示意图。(a)和(b)不同ZIF-8基材料的FTIR；(c)XPS；(d)FTIR、XRD、TGA和同一材料在不同负载率下的相对压力

文章结论

综上所述，ZIF-8具有比表面积大、孔隙率高、表面活性中心丰富、晶体结构稳定等优点，在HM吸附和去除领域有很大的潜力。本文系统地回顾了近几年来ZBC对HM离子的研究进展，分析了影响ZBC对HM离子吸附的参数条件，并结合动力学、等温线和热力学，探讨了不同ZIF-8的复合材料对HM离子的净化性能。利用FTIR、XPS、XRD、TGA等表征技术，充分探讨了复合材料去除HM的机理。此外，还客观地比较了ZIFs材料和其他系列MOFs材料对HM离子的去除性能。他们都具有良好的去除能力、快速的平衡时间和对目标污染物的高选择性，在许多极端环境条件下都能保持优异的性能。虽然许多研究成果使ZIF-8的发展取得了重大突破，但在环境治理领域仍面临许多挑战，这为研究人员提供了各种未来研究方向：

(1) 从材料的合成和性能方面的困难和方向

1）对于目前ZIF-8的合成，普遍采用的是溶剂热法，而过多的有机溶剂的加入对环境是一种潜在的污染，可能会阻碍其大规模合成和进一步的工业应用。因此，寻找绿色、快速、高效、低成本的材料制备方法是当前亟待解决的问题。

2）对于ZIF-8材料的稳定性，ZIF-8在空气中缓慢地发生潮解，表明ZIF-8材料具有一定程度的吸水性。更重要的是，关于其在实际和现实条件下的长期稳定性和可重复使用性的实验细节是有限的。

3）更多关于ZBC的研究是基于对其他污染物的使用，其生物毒性往往被忽视。

4）ZIF-8材料具有高比表面积、高孔隙率和许多有效的活性位点，可以充分利用其控制合成结构和选择性接枝修饰官能团，有效应用于环境修复。

(2) 废水中使用材料的困难和方向

1）大多数关于重金属去除的研究仅限于在实验室中对单一重金属的去除，然而，实际的废水往往是多种重金属的混合物。此外，这些研究忽略了重金属本身的物理化学特性以及它们对某些特定群体的亲和力。为了使ZIF-8及其复合材料更加实用，应该有一个朝向同时吸附水中多种金属离子的基础，这对ZIF-8及其复合材料同时处理多种污染物的实际废水处理非常重要。

2）对于再利用和二次污染没有更详细的研究和可靠的解决方案；当ZIF吸附重金属时，它们只是被吸附在材料的表面和孔隙中，然而，ZIF-8及其复合材料在吸附后的回收和再利用往往不尽人意，从而造成二次污染。因此，提高ZIF-8及其复合材料的回收和再生能力，以实现基本的成本效益，需要更深入的研究。

3）目前常见的重金属离子包括（Pb(II)、Cr(VI)、As(III)、Cu(II)、Hg(II)、Cd(II)、Ni(II)等），它们都具有高水溶性、毒性和迁移能力，因此一直是关注的重点。但对医药、染料、抗生素、农药等废水也需要重点关注，探讨是否有可能用一种材料同时去除多种污染物。

(3）利用理论计算（如密度泛函理论、径向分布函数）和分子模拟技术（如响应面法、人工神经网络法）对ZBC的结构和去除性能进行优化。理论计算和分子模拟技术可以提供大量实验和光谱分析所不能提供的信息，如吸附系统的结构、能量、电荷密度和水化半径等，这有助于深入了解ZBC与HM离子的相互作用机制。

创新技术往往是缓慢出现的，而不是凭空出现的。基于上述ZIF材料的缺点和挑战，研究人员应在ZIF-8材料的开发和功能改性策略、材料本身对实验结果和自然水体的影响以及实际应用中的问题上投入更多精力。同时，ZIFs作为去除HM离子的污染物去除材料，其相互作用机制也需要更详细的探索，以解决日益严重的水问题。总之，ZIFs作为21世纪的新兴材料，在HM离子处理方面具有广阔的应用前景，并将很快实现大规模生产和商业应用。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136320

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