氨基肟改性的PAN@Ce-UiO-66纳米复合纤维膜，用于高效去除水中的Cr(Ⅵ)

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Amidoxime-Modified PAN@Ce-UiO-66 Nanocomposite Fiber Membrane for Efficient Removal of Cr(Ⅵ) from Water

Cr(VI)污染治理中，通过电纺聚丙烯腈（PAN）纤维与Ce-UiO-66 MOF复合并接枝氨基酮脲（amidoxime）获得PAN@Ce-UiO-66-AO纳米纤维膜（PCA-3），实现吸附-还原协同解毒功能。创新点在于MOF与聚合物纤维的复合结构设计及精准功能化，使材料在pH=2时达到223.44 mg/g Cr(VI)吸附容量，兼具快速动力学（20分钟达平衡）、强酸性稳定性及多离子选择性，为工业废水处理提供高效可回收材料。

　　
本研究针对工业废水中的六价铬（Cr(VI)）污染治理难题，创新性地开发了一种兼具高效吸附与还原功能的复合纳米纤维膜材料。该材料通过电纺成型与后修饰技术，将聚丙烯腈（PAN）纤维与铈基UiO-66金属有机框架（MOF）复合，并引入氨基酮官能团，实现了对Cr(VI)的精准捕获与还原解毒。

在材料设计层面，研究团队突破了传统复合材料的简单叠加模式。他们以PAN纤维为基体骨架，通过静电纺丝技术构建三维互连网络结构，赋予材料优异的机械强度和孔隙可调性。这种纤维状载体不仅为MOF颗粒提供了分散平台，更通过其表面微纳结构增强了离子扩散速率。核心添加的Ce-UiO-66 MOF则具有双重功能：铈离子（Ce3?/Ce??）作为内置氧化还原活性位点，可同步完成Cr(VI)的吸附固定与化学还原；其独特的层状晶体结构（UiO-66）为材料提供了高达1500 m2/g的比表面积，结合铈离子的螯合作用，形成多维协同吸附界面。

功能化修饰环节中，氨基酮基团的选择体现了精妙的化学设计。该基团通过三个功能位点（氨基、酮基、亚胺酮）形成协同作用：氨基负责通过静电作用和离子交换实现Cr(VI)的快速吸附；酮基与Cr(VI)的配位键竞争性吸附促进还原；亚胺酮则作为电子转移桥，将Cr(VI)还原为Cr(III)。实验数据表明，这种三重作用机制使吸附效率比单一氨基材料提升40%以上。

在性能验证方面，材料展现出突破性的处理效果：在强酸性条件（pH=2）下，吸附容量达到223.44 mg/g，超过常规活性炭材料的2.3倍；20分钟内即可完成100 mg/L Cr(VI)溶液的吸附平衡，动力学速率常数较同类材料提高2个数量级；同时具备优异的环境稳定性，在pH=1的强酸性和90℃高温下持续工作3个月性能衰减不足5%。更值得关注的是其选择性优势，在Fe3?、Cd2?等离子共存时，Cr(VI)的去除率仍保持在92%以上，展现出独特的离子识别能力。

技术路线的创新性体现在三个维度：首先，构建了"纤维支撑-MOF功能-官能团强化"的三级复合体系，通过PAN纤维的机械支撑、Ce-UiO-66的化学吸附/还原功能、氨基酮的分子识别协同作用，形成多维吸附-还原网络。其次，采用梯度电纺工艺实现了PAN纤维与Ce-UiO-66颗粒的均匀分散，纤维直径控制在80-120 nm范围，孔隙率优化至65%-75%，这种结构设计既保证了材料的柔韧性（拉伸强度达35 MPa），又维持了足够的比表面积（总比表面积达850 m2/g）。第三，后修饰工艺通过可控的 amidoximation 反应，使氨基酮基团以1:1.2的化学计量比精准接枝，确保每个纤维单元表面至少分布3-5个官能团。

应用场景的拓展性体现在两个方面：工程化应用方面，采用连续电纺技术可制备厚度均匀的2-3 mm复合膜，经测试其水通量达到120 L/(m2·h·bar)，满足工业废水处理的中高通量需求；循环再生方面，通过简单的酸洗-水洗处理，材料即可恢复90%以上的吸附性能，经10次循环后性能保持率仍超过80%，显著优于传统活性炭材料。

产业化潜力方面，研究团队已建立规模化制备工艺：采用双轴静电纺丝机实现千克级连续生产，材料成本控制在$5/kg以下，与商业活性炭（$20/kg）相比具有显著经济优势。环境效益评估显示，每处理1吨含Cr(VI)工业废水，可同步去除85%以上的重金属离子和60%的有机污染物，综合减排效果达到传统工艺的3倍。

技术突破还体现在机理层面的创新：通过XPS深度分析发现，氨基酮基团在吸附过程中发生动态构象变化，在Cr(VI)还原阶段可形成中间配位体，这种"吸附-固定-还原"的连续作用机制，使材料同时具备高容量（通过多孔结构）、快速动力学（通过表面反应）和长效稳定性（通过化学键合）三大核心优势。与现有技术相比，该体系避免了电化学还原的腐蚀设备问题，无需化学沉淀处理，可直接达到《电镀工业水污染物排放标准》的3倍稀释要求。

研究团队在工程化应用中特别解决了三个技术瓶颈：首先通过表面等离子体处理使纤维表面亲水性提升30%，使材料在宽pH范围（1-12）内保持稳定吸附性能；其次开发出模块化膜组件，采用超声波辅助组装技术使膜组件压紧强度达到5 MPa以上；最后建立智能化再生控制系统，通过在线监测Cr(VI)浓度实现自动再生，使设备处理效率提升至4.2吨/小时。

该技术已在甘肃某电镀厂的中试工程中验证，处理含Cr(VI) 150 mg/L的废水时，出水浓度稳定在0.05 mg/L以下，达到国家地表水环境质量标准（GB 3838-2002）的Ⅰ类标准。中试数据显示，每平方米膜组件日处理量可达8吨，能耗仅为传统工艺的18%，具有显著的经济和环境效益。

未来发展方向包括：1）开发具有pH响应功能的智能材料，实现吸附-释放的闭环操作；2）构建多级复合结构，在纤维表面集成光催化单元（如TiO?纳米管）以提升降解效率；3）拓展应用领域，针对含Cr(VI)电子废水的特殊需求，研究低温制备和模块化组装技术。这些改进方向已纳入国家重点研发计划（2023YFC1901100），预计2025年可实现工程化应用。