桂林理工大学

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亚氨基二琥珀酸嵌入定制缺陷UiO-66对重金属的吸附研究

申报人：胡筱喆 申报日期：2024-05-30

基本情况

2024年批次
亚氨基二琥珀酸嵌入定制缺陷UiO-66对重金属的吸附研究 学生申报
创新训练项目
工学
环境科学与工程类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
重金属污染在全球范围内普遍存在，尤其在水体中捕获这些重金属是一项艰巨的任务。在本研究中，首次使用生物可降解螯合剂亚氨基二琥珀酸（IDSA）嵌入带有合理缺陷的金属有机框架材料（MOFs）UiO-66用于高效吸附水中的重金属。利用多种技术，包括SEM-EDS、FTIR、XRD、XPS、Zeta Potential等对吸附剂的表面特性、结构和官能团组成进行详尽的分析。此外，通过分批吸附实验（动力学、热力学、等温线），深入研究该新型材料对多种二价有毒重金属的吸附行为。

1. 参与大学生创新项目《功能化磁性UiO-66的合成及其对水中抗生素的吸附机制研究》

2. 参与发表论文：Yang P, Lu Y, Zhang H, Li R, Hu X et al. Effective removal of methylene blue and crystal violet by low-cost biomass derived from eucalyptus: Characterization, experiments, and mechanism investigation[J]. Environmental Technology & Innovation, 2024, 33: 103459.

3. 参与申请专利：一种琥珀酸酐改性桉木生物质吸附剂的制备方法及应用
广西基金固体废物处理与资源化（2018GXNSFGA281001），子课题负责。

 1 安排学生进入课题组，学习试验操作，按项目计划进行试验准备，并完成相关工作。

2.根据预算配套部分经费，提供部分实验设备及药剂。
区级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
胡筱喆 环境科学与工程学院 给排水科学与工程（创新班） 2021 概念化、实验研究、论文写作
方子莹 环境科学与工程学院 给排水科学与工程（创新班） 2022 实验研究
胡心悦 环境科学与工程学院 环境工程 2021 实验研究
吕晓琳 环境科学与工程学院 给排水科学与工程（创新班） 2021 实验研究
陈雨欣 环境科学与工程学院 给排水科学与工程（创新班） 2022 实验研究

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
张华 环境科学与工程学院 否

立项依据

1. 通过功能化金属有机框架材料（MOFs）UiO-66，改进其对水体中重金属的选择性，提高对水体中重金属的吸附性能，使其更加适用于实际应用。

2. 通过生物可降解螯合剂亚氨基二琥珀酸（IDSA）修饰UiO-66材料，探索提高二价有毒重金属去除效率的新途径，解决现有方法只能处理单一重金属或在特定条件下才表现出较高去除率的问题。

在本项目中，我们工作的主要目标是研究生物可降解螯合剂亚氨基二琥珀酸（IDSA）作为潜在的可持续替代品嵌入到UiO-66中对Cu(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)等重金属离子进行去除实验。系统的研究生物可降解螯合剂与高度定制化的缺陷UiO-66对于去除重金属的协同效应，探明UiO-66-IDSA去除重金属的吸附机理，并评估其潜在的优势。通过批量吸附实验，建立最优UiO-66-IDSA的配比和操作条件，以实现最佳的重金属去除效率。这一创新性研究项目有望为环境污染治理提供可持续的解决方案，有助于保护自然环境和人类健康。

具体而言，主要研究内容包括：

1. 实验设计：设计一系列实验，系统研究重金属初始浓度、吸附剂剂量、吸附时间、温度和pH等因素对重金属吸附性能的影响。这将有助于优化吸附条件，提高去除效率。

2. 吸附性能评估：评估UiO-66-IDSA对Cu(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)等不同重金属的吸附容量。通过全面了解UiO-66-IDSA对各种重金属的吸附特性，优化材料组合，以提高选择性和效率。

3. 动力学及热力学分析：进行动力学和热力学研究，探讨吸附过程的速率和热力学参数，以深入了解吸附机制。

4. 再生性能：研究UiO-66-IDSA在多次循环使用后的稳定性和再生性能，以验证其实际应用的可行性。

5. 表征分析：使用各种表征手段（如SEM-EDS、FTIR、BET、XRD、XPS等）对UiO-66-IDSA的结构和表面特性进行详细分析，从而阐释其对重金属的吸附机制。

通过深入研究缺陷UiO-66与生物可降解螯合剂IDSA的协同效应，本研究旨在为开发高效、环保的重金属去除材料提供科学依据，并为相关环境治理和资源回收领域提供创新的解决方案。

1. 重金属对水体的污染已成为当下环境治理的一大棘手问题

重金属是一类被广泛应用的金属元素，通常以密度大于5 g/cm3为特征[1]。它们在化学工业、电子制造、建筑材料和农业等领域发挥着重要的作用，已经成为这些行业中不可或缺的元素[2]。然而，由于污水处理厂的不完善以及不当的废物管理做法，这些重金属经常以废水的形式排放到河流、水库和海洋等水生环境中，造成了严重的环境污染[3]。它们不仅对水生态系统造成了破坏，而且对人类健康也构成了潜在的风险[4]。毒理学研究表明，通过食物链转移的微量重金属不仅会在人体内富集，引发贫血、肾脏损伤、心血管疾病以及中枢神经系统损伤，而且还会抑制植物的光合作用、减少种子发芽率、酶活性以及降低叶绿素的形成量等[6,5]。例如，铜离子可引发肝损伤、睡眠障碍以及抑制土壤酶活性，过量锌摄入可损伤肝脏、肾脏和神经系统，降低微生物活性，而铅中毒可能导致肌肉损伤、肾功能衰竭，并危害婴儿大脑发育，与镉长期接触可增加患慢性肾病的风险，甚至最终导致肾衰竭，镉暴露还与骨骼疏松和骨折的风险增加有关[7,6]。不当的重金属处置已导致了多起危及公众安全的事件，如2015年发生在美国密歇根州弗林特市的饮用水危机，由于水中的氯化物腐蚀了老旧的铅管道，使水中的铅含量超标，导致了近8000名儿童铅中毒[8]。我国也多次发生重金属污染事件，例如2021年发生在四川省德阳市的“镉大米”事件，该地化工企业违规排放的污染废水使耕地污染严重，其中镉超标大米给当地居民带来了严重的健康困扰[9]。鉴于重金属具有高溶解度、环境稳定性，并且可以在水体中广泛的迁移，我们亟需采取合理的措施，以确保饮用水中的重金属含量低于世界卫生组织（WHO）基于健康风险评估和技术可行性的考虑制定的标准[10]。为了实现这一目标，研究和开发高效且经济的重金属去除技术已成为当前研究领域中备受关注的焦点。

2. 金属有机框架材料（MOFs）在重金属污染治理中应用前景广阔

迄今为止，不同的物理化学和生物技术，包括化学沉淀、生物降解、吸附、催化、离子交换、膜过滤、电化学处理等，都已被应用于处理含有重金属污染的废水[12,11]。然而，这些去除方法大多需要多步骤、高能量以及复杂的实验条件[13]。考虑到设计简单、操作方便、成本低和可再生性等因素，吸附法无疑是最佳的选择之一[14]。已经开发了多种吸附剂用于去除重金属，如活性炭、粘土、沸石、纳米材料、共价有机框架材料（COFs）、金属有机框架材料（MOFs）等多孔材料[15]。其中MOFs是近几十年来发展迅速的一系列配位聚合物，由金属离子或金属簇与多齿有机配体自组装形成[17,16]。作为具有大比表面积（＞10,000 m2/g）、超高孔隙率、丰富的活性吸附位点、可调的表面化学、良好控制的孔径分布和强主客体相互作用等诱人特性的新兴多孔材料，MOFs在催化降解、吸附、储能、电化学传感器等领域被广泛关注[16,18]。其中MOF-5、HKUST-1、UiO-66、MIL-101、ZIF-8等经典MOFs都被广泛研究并用于各种用途[20,19]。特别是UiO-66系列，是一种以锆（Zr）为金属中心，对苯二甲酸（H2BDC）作为有机配体的刚性金属有机骨架材料[21]。由于在MOFs材料中具有最高的有机配体与金属簇团配位数，其具有独特的优良性质，如出众的水热稳定性、化学稳定性，以及对高外部压力的优异机械性能，导致了其在废水处理中的许多潜在应用[23,22]。2015年，UiO-66首次被报道作为吸附剂去除水中的重金属As(Ⅴ)，其在pH=2.0的情况下对As(Ⅴ)的最大吸附量达到了303 mg/g[24]，这是当时已知对As(Ⅴ)的最大吸附容量。此外，在理想状态下，UiO-66由1个[Zr6O4(OH)4]金属团簇及12个H2BDC配体自组装而成，然而在实际合成过程中其结构存在缺陷现象，这在其他MOFs材料中并不常见。由于这种缺陷现象能够直接影响UiO-66的比表面积大小（600-1600 m2/g），通过调控缺陷定制UiO-66的性能也成为其热点研究方向之一[25]。例如，Peng等人[26]利用三氟乙酸（TFA）作为缺陷调节剂，合理定制UiO-66的结构缺陷去除尾矿废水中的Sb(Ⅴ)。在pH=2.5时，其对Sb(Ⅴ)的去除率达到了令人满意的100%。Clark等人[27]也制备出高度缺陷的UiO-66吸附水中的全氟辛烷磺酸（PFOS），其比表面积达到了1423 m2/g，最大吸附容量比粉末活性炭（PAC）高出近2倍，吸附速度则比离子交换树脂快2个数量级。因此，UiO-66及其独特的性能为废水污染治理带来了新的可能，并有望在环境保护方面产生积极影响。

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图1 UiO-66的自组装过程原理示意图


3. 功能化MOFs成为高效去水中污染物的重要手段

尽管UiO-66在物理化学方面表现出优良的特性，但由于其有机配体（H2BDC）缺乏活性官能团，因此对重金属离子的亲和力相对不足[28]。如何提高其对金属离子的选择性和吸附性，是将其从水体中去除的关键。目前，多数研究都是通过引入复杂的官能团来定向设计和合成具有应用潜力的MOFs[29]。利用含有-NH2、-Br、-NO2以及-CH等基团功能化的H2BDC配体原位合成UiO-66-X (X = Functional groups)，使得其在保持原始晶体结构的同时，物理和化学性质在很大程度上发生改变[30]。例如，Wu等人[31]利用2-氨基对苯二甲酸（H2ATPT）代替H2BDC合成UiO-66-NH2吸附污水中的Cr(Ⅵ)，根据Langmuir模型的计算，当pH为6.5时其对Cr(Ⅵ)的吸附容量为32.36 mg/g，高于许多报道去除Cr(Ⅵ)的吸附剂。Zhang等人[32]利用H2BDC-Br2作为UiO-66的有机配体合成了UiO-66-Br，并用于吸附模拟烟气中的汞（Hg0），其中合成条件最佳的UiO-66-Br在200 ℃，吸附时间为48 h的条件下对Hg0去除率高达99%以上。Yang等人[33]通过溶剂热法将NO2-H2BDC和ZrCl4溶解在N, N-二甲基甲酰胺中合成UiO-66-NO2，并将其负载到明胶上吸附水和苹果汁中的Pb(Ⅱ)，其中由于-NO2的存在，明胶/UiO-66-NO2复合水凝胶对水和苹果汁中的Pb（II）都有较好的去除效果。然而，研究者们发现由于-NH2和-Br的尺寸和质量较大，会极大的占用框架材料内的自由空间，而-NO2化则在热稳定性方面显得不足[34]。此外，一些官能团也无法通过原位合成的方法对UiO-66进行修饰，因此，后修饰也成为功能化UiO-66的另一种可能[35]。其中Shafqat等人[36]通过后修饰-NH2和硫醇官能团合成NH2-UiO-66去除Pb(Ⅱ)，Ruan等人[37]利用后修饰UiO-66-NH2/AHMP的方法成功对水溶液中的Hg(Ⅱ)进行了吸附，并取得了不错的效果。因此，原位合成、后修饰以及其他的几种方法，如配体共价修饰、混合接头方法、接头和金属交换、表面修饰等均表明，各种具有不同功能的基团进入MOFs的框架后，都能够对水体中的重金属吸附起到促进作用。

4. 螯合剂嵌入UiO-66材料作为高效去除广谱重金属的关键

近年来，功能化UiO-66材料在去除水体中有毒污染物取得了显著的进展，但大多针对的只是一两种重金属离子，或在特定的条件下才具有较高的去除率。直至Peng等人[38]首次将螯合剂乙二胺四乙酸（EDTA）结合到MOF-808中，并对总共22种重金属进行了去除。实验表明，该吸附剂十分有效，在任何情况下对于单、多组分的重金属吸附率均达到了99%以上。次年，Wu等人[39]则利用该方法将EDTA固定到UiO-66中，合成了UiO-66-EDTA并对11种重金属进行了吸附，实验结果也表明其对金属离子均表现出优异的去除性能。Yan等人[40]以及我们研究团队[41]延用此思路将螯合剂乙二胺四亚甲基膦酸（EDTMP）固定到UiO-66上对重金属进行了去除也得到良好的反馈。因此，功能化UiO-66，尤其是利用螯合剂对UiO-66进行后修饰对去除广谱重金属非常有效。图2为螯合剂嵌入UiO-66对重金属吸附机理示意图，其吸附能力的提高主要有以下几个方面：1）螯合剂引入后，MOFs的的结构通常会发生改变，导致材料表面和孔道中产生更多的活性点位。这些活性点位能够与重金属离子发生化学反应，形成稳定的络合物或配合物，并且额外的活性点位能够增加材料与重金属之间的接触面积，从而能够提高吸附效率[42]。2）螯合剂的引入能够改变MOFs的吸附点位的性质，使其更具选择性[43]。这意味着MOFs可以更精确地选择特定类型的离子，而不会吸附其它不需要的离子。3）螯合剂的引入可以增加MOFs的吸附容量[44]。螯合剂分子本身具有多个功能性基团，这些基团可以与多个重金属离子形成络合物，提高吸附容量。4）螯合剂的引入还能增加MOFs与重金属之间的亲和力。这种增强的亲和力有助于更有效地与重金属离子结合，即使在低浓度下也能实现高吸附效率。5）由于螯合剂的引入，MOFs的反应动力学可以得到改善[41]，意味着吸附过程可以更快地进行，从而减少吸附平衡所需要的时间。因此，通过螯合剂嵌入UiO-66能够实现对广谱重金属的高效去除，并且对于实际应用中需要处理大量水体中多组分重金属污染有重要的意义。

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图2 生物可降解螯合剂嵌入UiO-66对重金属吸附机理示意图

5. 生物可降解螯合剂替代传统持久性螯合剂作为材料设计的新思路

先前的研究已经证明螯合剂与UiO-66结合可以有效地去除广谱重金属，但对于EDTA、EDTMP这些非常有效的螯合剂，由于其低生物降解性，使得它们在环境中分解非常缓慢。也就是说，尽管它们协同MOFs材料对重金属离子表现出良好的吸附性能，但这些不易降解的螯合剂极易在水体中造成二次污染。其中EDTA已在多个欧洲国家的许多行业种受到立法限制[45]。因此，使用可生物降解螯合剂（图3）嵌入UiO-66对重金属吸附成为可能。而在土壤重金属研究领域，许多研究已将成功利用生物可降解螯合剂替代传统难降解的螯合剂，从土壤或植物中提取重金属。例如，Zhao等人[46]成功利用种植黑麦草的多层间根箱模拟了生物可降解螯合剂[S, S]-乙二胺二琥珀酸（EDDS）萃取重金属从非根际土壤向根际土壤的迁移，其中对照组EDDS（5 mM kg-1）显著从土壤中分离出铜（Cu）、铁（Fe）以及铝（Al）。Chen等人[47]研究了可生物降解螯合剂亚氨基二琥珀酸（IDSA）和DI-2-（2-羧甲基）次氮基三乙酸（GLDA）对污染土壤中重金属镉（Cd）、铅（Pb）以及锌（Zn）的冲洗效率，在最佳的条件下，IDS和GLDA对Cd、Pb以及Zn的去除效率分别为21.88%、66.21%、17.47%和22.96、9.12%、8.11%。Naghipour等人[48]使用腈基三乙酸（NTA）作为螯合剂从沙壤土中提取重金属Pb、Cd和Zn，最高萃取效率分别可达到21.8%、83.56%以及24.49%。可以看出，生物可降解螯合剂在土壤研究中的成功应用已经为这一思路提供了可行性的证据。这一新思路可以帮助我们开发出更环保、可持续的方法来去除水体中的重金属，包括：1）环境友好性：生物可降解螯合剂不会在环境中聚集，减少了潜在的生态和环境风险。2）可持续性：这种方法不依赖传统难降解螯合剂，有望更符合可持续发展原则，降低废物的产生。3）高效性：借鉴生物可降解螯合剂在土壤中重金属的提取的成功，新材料有望提供高效的重金属去除解决方案。

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图3 亚氨基二琥珀酸三维分子结构示意图

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1. 高度定制化的UiO-66材料的应用：

利用UiO-66这种高度可调控的MOFs材料，通过乙酸调节其缺陷，实现结构高度定制化，以提升其吸附重金属的性能，为MOFs材料在环境治理领域带来了新的应用可能性。

2. 生物可降解螯合剂亚氨基二琥珀酸（IDSA）与UiO-66的协同吸附：

在定制缺陷UiO-66吸附重金属的基础上结合生物可降解螯合剂，不仅提高了吸附的选择性，同时避免了对环境的二次污染。充分利用了螯合剂的生物可降解性和MOFs材料的优势，为重金属污染治理提供了高度定制的吸附材料。

1. 本项目拟采用的技术路线如图4所示：


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图4 技术路线图


2. 拟解决的问题

（1）设计并验证生物可降解螯合剂亚氨基二琥珀酸（IDSA）嵌入带有合理缺陷UiO-66的方法，并选择性提高重金属污染物的吸附能力。

（2）深入研究修饰的后UiO-66与重金属之间的相互作用机制，解析影响吸附机制的关键因素，为新型吸附材料的设计提供理论指导。

3. 预期成果：

发表中文核心论文1篇。

1. 2024.05-2023.06

准备阶段：

制定项目计划，分配任务，并购买相关化学试剂。

2. 2024.07-2024.08

材料合成和表征阶段：

1）材料合成

将0.9 mmol (0.210 g) ZrOCl2 8H2O和对苯二甲酸（H2BDC, 0.50 g）分别溶解在30 mL N, N-二甲基甲酰胺（DMF）和10 mL N, N-二甲基甲酰胺（DMF）中，然后在搅拌下混合两种溶液，并加入24.8 mL乙酸合理调节其缺陷，将该混合物在室温水浴中超声直至获得均匀的溶液。随后，将混合溶液转移至特氟隆内衬的高压釜中在90 ℃下加热18 h，然后自然冷却至室温。通过过滤收集白色固体，并在室温下用DMF洗涤并用甲醇活化，以除去未反应的接头和调节剂。然后，通过超声处理将0.100 g UiO-66分散在50 mL去离子水中，然后加入1.68 g生物可降解螯合剂亚氨基二琥珀酸（IDSA）。最后，用去离子水和丙酮洗涤所得的复合物UiO-66-IDSA。最后，样品在60 ℃的烘箱中干燥12 h获得的白色纳米颗粒。


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图5 实验合成UiO-66/UiO-66-IDSA的步骤及重金属的浓度测定流程

2）UiO-66-IDSA的表征

通过扫描电镜（SEM，SU5000, Hitachi）观察材料的形貌特征并用附加的能量色散X射线（EDS，X Flash6110）光谱仪分析材料的元素分布及相对含量。比表面积用Brunauer-Emmett-Teller（BET）法从N2吸附/解吸中确定，利用t-plot方法获取孔体积。用X射线衍射仪（XRD，Rigakku Coporation）在Cu Kα辐射（λ= 0.15406 nm, 40 kV, 100 mA）下测量晶体结构，扫描范围设定为0~90° (2Theta)，步长为1°，每步计数时间为1 min。在TGA热重分析仪（TGA 209，America）上以氮气氛围使用20 ℃ min-1的加热速率下从35 ℃至800 ℃对材料进行热重分析。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR，Nicolet 479 IR spectrometer）对材料的官能团和结构进行表征。在纳米粒度及电位分析仪（Zetasizer 3000 HS, Malvern Coporation）上测试样品在不同pH下的Zeta电位。用X射线光电子能谱（XPS，Thermo Scientific K-Alpha）进行了化学成分的分析，并用Al Kα X射线源 (250 W)来激发样品表面的光电子。

3. 2024.09-2024.10

吸附性能研究：

为了评估UiO-66-IDSA作为通用重金属离子吸附剂的采用批量吸附实验方法，综合考察不同条件（改性剂量、初始浓度、pH值、离子强度、共存离子、接触时间和反应温度）对改性效果的影响。分别制备含有Cu2+, Pb2+, Cd2+的原液备用。对于批量吸附实验，在聚乙烯管中加入20 mg吸附剂并加入20 mL重金属离子溶液，即可得到含有不同成分的理想悬浮液。使用微量的0.1-1.0 mol L-1 HNO3和NaOH溶液控制悬浮液的初始pH值。然后将悬浮液以200 rpm震荡10 h以达到吸附平衡，并以12000 rpm的转速离心15 min，将上清液倒入注射器并并通过0.45 μm尼龙过滤器过滤。上清液中的残余金属由电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS, X Series 2）或电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES, Optima 7300DV）检测。

对于多组分批量吸附实验，通过添加一定量的UiO-66-IDSA样品和重金属离子溶液（每种金属离子浓度为5.0 mg L-1）在聚乙烯中制备悬浮液。温和摇动12 h后，通过12000 rpm离心15 min将固体和液体从水溶液中分离出来，然后通过膜过滤气过滤上清液。在pH 7.0的条件下，用80.0 mg L-1金属离子和0.5 g L-1 UiO-66-IDSA悬浮液在0.01 M NaNO3溶液作为洗脱剂。回收金属离子吸附后的UiO-66-IDSA，然后进行下一轮去除实验。

4. 2024.11-2025.01

数据分析：

用以下方法计算这三种重金属离子（Cu2+、Pb2+、Cd2+）的吸附容量（qe）（等式1）和去除率（R）（等式2）。

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在上述公式中，C0为重金属离子的初始浓度（mg L-1），Ce为重金属离子的平衡浓度（mg L-1）。m和V分别是添加的吸附剂质量（g）和悬浮液的体积。所有分批吸附实验一式三份，尽可能消除意外误差。

采用动力学模型（Pseudo-First-Order、Pseudo-Second-Order以及Elovich）分析研究吸附、反应或其他过程的速率和时间依赖性。多个等温线模型（Langmuir、Freundlich、Temkin和Dubinin-Radushkevich）用于研究在不同温度下吸附或反应的变化。此外，热力学参数，如吉布斯自由能(ΔG0)、焓（ΔH0）和熵（ΔS0）的变化，用于研究吸附反应或其他过程的能量变化和热力学性质。

5. 2025.02-2025.05

总结与展望：

汇总项目研究成果，并准备项目最终提交材料。


(1) 理论基础

金属有机框架材料（MOFs）UiO-66与螯合剂相结合已被证明具有高度的可行性，这已由成功构建多种功能的MOFs材料的研究成果证实。这种方案充分利用了MOFs和螯合剂各自的优势，为高效处理重金属污染提供了一种有效途径。以下是解释其理论基础可行性的几个方面：

1）高度定制化和适应性：UiO-66具有高度可调控的结构和表面性质，可以根据不同的重金属污染情况进行设计和调整。螯合剂的引入进一步增强了UiO-66的吸附特性，提高了其具选择性，使其能够适应各种不同类型和浓度的重金属污染物。

2）高吸附性能：UiO-66具有出色的孔隙结构，能够提供大量的吸附位点，从而增加对重金属的吸附容量。螯合剂的存在可以增强吸附效率，使其更快速地去除重金属。

3）土壤重金属领域的成功应用：生物可降解螯合剂已在土壤重金属治理领域得到广泛应用，取得显著的研究成果。此外，由于生物可降解螯合剂的可降解性，减少了对环境的不利影响，使在吸附重金属的同时避免了对水体的二次污染。

4）广泛适用性：这种方案对各种重金属（包括硬、软和临界路易斯金属离子）污染物都具有广泛的适用性，包括但不限于铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pb）等。因此，在不同的场景，例如工业废水处理、地下水净化和矿山废弃物处理等领域有广泛的应用前景。

(2) 前期研究基础

前期研究工作是任何研究项目成功的关键之一。本人所在的团队长期从事于环境功能材料的研究工作，具备丰富的材料制备经验和专业知识，已经进行了大量关于UiO-66修饰材料对重金属吸附的研究工作，包括乙二胺四亚甲基膦酸（EDTMP）、1,3,5-苯三羧酸（BTC）改性UiO-66的制备（图6）及其对Pb(Ⅱ)等重金属的吸附等。

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图6 (a), (c) UiO-66, (b) EDTMP改性UiO-66以及(d) BTC改性UiO-66电镜图

申请人依托桂林理工大学环境科学与工程学院，该院的“广西环境污染控制理论与技术重点实验室”拥有相对完备的材料合成实验设备，能够为项目材料的合成提供基础支持，并且环境科学与工程学院以及材料科学与工程学院拥有完备的材料表征设备，包括扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、热重分析仪（TGA）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、纳米粒度及电位分析仪（Zetasizer）、X射线光电子能谱（XPS）等，能够确保本项目材料表征的顺利进行。同时，申请人所在的团队与科研狗仪器测试平台、杭州研趣信息技术有限公司等平台建立了长期的合作关系，可对实验样品检测和分析提供技术指导与支持，保证相关实验的顺利实施。

(1) 申请人概况

申请人前期阅读了大量相关文献并参与了多项材料制备及吸附实验等研究工作，积累了丰富的相关经验；此外，申请人已参与撰写SCI论文一篇，已发表在Environmental Technology & Innovation (IF 7.1) 期刊，并参与申请发明专利一项；因此，申请人能够整体把控项目的进行并顺利完成该项目。

参与发表论文：Yang P, Lu Y, Zhang H, Li R, Hu X et al. Effective removal of methylene blue and crystal violet by low-cost biomass derived from eucalyptus: Characterization, experiments, and mechanism investigation[J]. Environmental Technology & Innovation, 2024, 33: 103459.

参与申请专利：一种琥珀酸酐改性桉木生物质吸附剂的制备方法及应用

参与项目：大学生创新训练项目（功能化磁性UiO-66的合成及其对水中抗生素的吸附机制研究）项目编号：202310596110

(2) 预实验成果

1）初步表征

从图7中可以看出与UiO-66相比UiO-66-IDSA表面已被生物可降解螯合剂乙二胺二琥珀酸修饰后表面变得更加粗糙。

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图7 预实验（a）UiO-66与（b）UiO-66-IDSA的SEM电镜图


2）初步吸附实验

在pH为5,吸附剂用量0.01 g，50 mL重金属污染物浓度为100 mg/L的条件下，UiO-66-IDSA对不同的重金属表现出吸附差异性。

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图8 预实验UiO-66-IDSA对各种重金属的吸附性能对比

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 12000.00 实验经费 3400.00 8600.00
1. 业务费 8000.00 材料费、加工费及辅助材料的购置费用 1400.00 6600.00
（1）计算、分析、测试费 1500.00 纳米晶体材料结构分析、缺陷分析 750.00 750.00
（2）能源动力费 500.00 水、电、燃料等购置费用 200.00 300.00
（3）会议、差旅费 500.00 路程费用 250.00 250.00
（4）文献检索费 500.00 查找相关文献 200.00 300.00
（5）论文出版费 5000.00 发表论文 0.00 5000.00
2. 仪器设备购置费 1000.00 购置所需实验器材 500.00 500.00
3. 实验装置试制费 2000.00 购置试制实验装置 1000.00 1000.00
4. 材料费 1000.00 各种原材料、化学试剂和试验耗材 500.00 500.00
结束

用户单位： 桂林理工大学        

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