氧化锆负载纤维素纳米复合材料用于高效氟吸附的合成与表征研究

推荐：为解决饮用水中过量氟化物引发的健康问题，研究人员通过共沉淀法合成不同比例的氧化锆负载纤维素纳米复合材料（ZrIC），系统评估其氟吸附性能。结果表明，1:3比例的ZrIC在50 ppm氟溶液中吸附容量达24.8 mg g-1，吸附效率>99.99%，且可重复使用5次。该研究为开发低成本、高效的水处理材料提供了新策略。

　　

氟是自然界中广泛存在的阴离子，适量摄入（0.8–1.0 mg/L）可预防龋齿，但过量（>1.5 mg/L）会导致氟骨症、阿尔茨海默病等严重健康问题。尽管现有除氟技术如反渗透、电渗析等能部分解决问题，但普遍存在成本高、效率低或二次污染等缺陷。吸附法因其经济环保备受关注，但传统吸附剂如活性氧化铝、沸石等存在吸附容量低、pH适用范围窄等瓶颈。

在此背景下，Sahala Salam、K. Aparna和Marymol Moothedan团队创新性地将生物可降解的纤维素与高亲和力的氧化锆结合，通过共沉淀法制备了五种不同比例的ZrIC纳米复合材料（C1Z1至C3Z1），系统研究其除氟性能与机制。这项突破性研究发表在《Next Materials》上，为开发高效可持续的水处理材料提供了新思路。

研究采用X射线衍射（XRD）分析晶体结构，傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测官能团，扫描/透射电镜（SEM/TEM）观察形貌，能量色散X射线谱（EDX）进行元素分析。通过调控吸附剂用量、接触时间、氟浓度和pH等参数优化吸附条件，并采用Langmuir和Temkin等温线模型及伪二级动力学模型分析吸附机制。

3.1 材料表征结果

XRD显示1:3比例ZrIC具有最小晶粒尺寸（2.96 nm），FTIR证实Zr-O-C键形成。SEM显示氧化锆均匀分布在纤维素棒状结构中，TEM观察到2 nm球形氧化锆团聚体。EDX检测到20.45 wt%的锆元素，证实材料成功合成。

3.2 吸附性能研究

1:3比例ZrIC对50 ppm氟溶液的吸附容量达24.8 mg g^-1，远超纯纤维素（0.8 mg g^-1）和氧化锆（1.6 mg g^-1）。pH 2-4时效率最高，因质子化表面增强对F^-的静电吸引。动力学符合伪二级模型，表明化学吸附主导。

3.3 机制解析

Temkin模型（R²=0.9953）表明吸附位点能量不均。XRD吸附后出现ZrF₂特征峰，FTIR显示羟基振动增强，证实氟通过配体交换与Zr⁴⁺形成内层络合物。共存阴离子干扰顺序为HCO₃^- > SO₄^2- > Cl^-。

3.9 实际应用价值

经过5次再生循环后，材料仍保持良好吸附性能。与文献对比，其吸附容量显著高于壳聚糖（1.39 mg g^-1）和铝涂层沸石（18.12 mg g^-1）。BET测得76.85 m²/g比表面积，ΔG⁰为-2608.937 kJ/mol（303 K），证实过程自发进行。

该研究不仅开发出性能优异的除氟材料，更通过多尺度表征揭示了"配体交换-静电吸引-氢键协同"的吸附机制。使用可再生的纤维素载体与低毒氧化锆，兼顾环境友好性与经济性，为实际水处理应用提供了可靠解决方案。未来可通过调控材料孔径分布和表面电荷，进一步提升对复杂水质中氟的选择性吸附能力。