ZIF-8負(fù)載檸檬酸包覆納米零價(jià)鐵復(fù)合物的制備及其對(duì)U(VI)的吸附性能研究

何 江 高 飛 張 峰 馮 峰 石仕瀧 劉 軍

1（中國檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院 食品安全研究所 北京 100176）

2（成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院 成都 610059）

3（四川省原子能研究院 成都 610101）

核能作為一種清潔能源已得到廣泛應(yīng)用，發(fā)展核能被認(rèn)為是解決能源危機(jī)的有效途徑。核能發(fā)展的重要保障離不開高效、經(jīng)濟(jì)地開發(fā)鈾資源，但此過程可使得鈾被釋入到環(huán)境中，并在土壤孔隙水或地下水中遷移，最后通過食物鏈進(jìn)入人體，影響健康［1］。近年來，水體中鈾污染已成為全球性的環(huán)境問題。據(jù)此，從含鈾水體中分離去除鈾，對(duì)核能可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前，從含鈾水體中分離或去除鈾的方法主要有生物法、化學(xué)沉淀法、溶劑萃取法、離子交換法和吸附法等。其中，吸附法是一種發(fā)展?jié)摿Υ?、用途廣泛的分離富集技術(shù)［2］。吸附法的核心是篩選具有高吸附量或高選擇性的固相吸附劑，主要利用固相吸附劑表面配位官能團(tuán)將水體中吸附質(zhì)轉(zhuǎn)移到吸附劑上。固相吸附劑可大致分為無機(jī)吸附劑、有機(jī)吸附劑或無機(jī)/有機(jī)復(fù)合吸附劑等。其中，無機(jī)吸附劑具有較高比表面積和孔結(jié)構(gòu)；有機(jī)吸附劑，如有機(jī)高分子，含有較豐富的絡(luò)合官能團(tuán)；無機(jī)/有機(jī)復(fù)合吸附劑則可利用各組分協(xié)同作用進(jìn)一步提升或優(yōu)化復(fù)合物吸附目標(biāo)離子性能。

金屬有機(jī)框架材料（Metal Organic Frameworks，MOFs）由金屬中心離子和多功能的有機(jī)配體組成，是一類具有獨(dú)特的孔洞和網(wǎng)格的有機(jī)-無機(jī)雜化材料。由于MOFs材料具有多孔性、大比表面積、結(jié)構(gòu)與功能多樣性以及不飽和金屬位點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于氫儲(chǔ)、催化、藥物載體及吸附與分離等領(lǐng)域［3］，主要包括網(wǎng)狀金屬有機(jī)框架材料（Isoreticular Metalorganic Framework，IRMOF）、類沸石咪唑框架材料（Zeolitic Imidazolate Framework，ZIF）、柱層式框架材料（Coordination Pillared-layer，CPL）、拉瓦錫框架材料（Materials of Institute Lavoisier，MIL）、通道式框架材料（Porous Coordination Network，PCN）、奧斯陸框架材料（University of Oslo，UiO）等系列。其中，ZIF-8 作為ZIF 典型代表，是以Zn2+為中心離子、2-甲基咪唑?yàn)橛袡C(jī)配體連接形成的具有方鈉石型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MOFs 材料。由于ZIF-8 及其復(fù)合材料具有高疏水性以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，有望成為放射性核素的潛在吸附劑。例如，王芙香等［4］合成了一種直徑為 1～7 μm 的 ZnO@ZIF-8 核殼微球，發(fā)現(xiàn)此微球在水溶液中通過配位作用和氫鍵吸附鈾酰離子。Wang 等［5］利用蒙特卡羅模擬和低本底α/β測(cè)量考察了納米ZIF-8對(duì)氡的吸附動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)納米ZIF-8 對(duì)氡是一種良好的吸附劑。納米材料由于具備微觀界面和微孔特性，可加強(qiáng)許多界面反應(yīng)。其中，納米零價(jià)鐵（Nanoscale Zero-valent Iron，nZVI）因其大比表面積和吸附量、高電負(fù)性和還原活性，被視作良好的重金屬陽離子吸附材料。

為了進(jìn)一步提升ZIF-8 對(duì)U（VI）的吸附性能并優(yōu)化其磁性分離能力，合成了一種ZIF-8 負(fù)載檸檬酸包覆納米零價(jià)鐵（nZVI@CA/ZIF-8）材料。通過靜態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，考察了溶液初始pH、吸附時(shí)間、離子強(qiáng)度、U（VI）初始濃度以及溫度對(duì)nZVI@CA/ZIF-8吸附U（VI）性能影響，并利用表征分析手段，探討了此種MOFs 復(fù)合物吸附鈾機(jī)理。研究結(jié)果可為MOFs 復(fù)合材料的合成及其用于放射性廢水中U（VI）的去除提供技術(shù)和理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與儀器

六水合硝酸鈾酰（UO2（NO3）2·6H2O）、六水合硝酸鋅（Zn（NO3）2·6H2O）、2-甲基咪唑（C4H6N2）、二水檸檬酸三鈉（C6H5Na3O7·2H2O）購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，均為分析純。

UV-2450 紫外分光光度計(jì)，日本島津公司；Nicolet 6700 傅里葉紅外光譜儀（Fourier Transform Infrared，F(xiàn)TIR），美國賽默飛世爾科技公司；EMPYREAN X 射線衍射儀，荷蘭帕納科公司；AXIS-ULTRA X 射線光電子能譜儀，英國Kratos 公司；JSM-7500F 掃描電子顯微鏡，日本JEOL 公司；TDL-5A離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；DZF-6020型真空干燥箱，上海一恒科技有限公司；pHs-3C 精密pH 計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司雷磁儀器廠；CS101-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱，重慶實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠。

1.2 樣品制備

1.2.1 檸檬酸包覆納米零價(jià)鐵的制備

將2.238 g FeCl3溶于613.3 mL 去離子水中，迅速加入2.900 g NaBH4，氮?dú)獗Ｗo(hù)下磁力攪拌10 min，加入 4.400 g C6H5Na3O7·2H2O，繼續(xù)攪拌12 h。靜置后抽濾，用去離子水和無水乙醇交替洗滌4 次。將樣品置于真空干燥箱（65 ℃）中干燥12 h，研磨制得檸檬酸包覆的nZVI粉末。

1.2.2 ZIF-8負(fù)載檸檬酸包覆的nZVI

分別稱取0.194 7 g 檸檬酸包覆的nZVI 和1.500 g Zn（NO3）2·6H2O 加入到 50.00 mL 無水乙醇中，氮?dú)獗Ｗo(hù)下磁力攪拌均勻（體系A(chǔ)）。再稱取3.280 g 2-甲基咪唑加入到17.50 mL 無水乙醇中溶解（體系B）。將體系B 加入到體系A(chǔ) 中，氮?dú)獗Ｗo(hù)下磁力攪拌4 h。攪拌完成后，放入冰箱，于4 ℃冷藏沉淀30 min。隨后在10 000 r?min?1下離心分離產(chǎn)物5 min得沉淀。沉淀經(jīng)無水乙醇洗滌三次，在真空干燥箱中60 ℃干燥24 h。最后于室溫研磨得ZIF-8負(fù)載檸檬酸包覆的nZVI 復(fù)合物粉末（nZVI@CA/ZIF-8）。

1.3 表征方法

傅里葉紅外光譜儀（美國，熱電公司，Nicolet 6700），以0.09 cm?1的分辨率在400～4 000 cm?1測(cè)定材料的FTIR，以確定材料可能含有的官能團(tuán)。采用X 射線衍射儀（荷蘭，帕納科公司，EMPYREAN）在Cu Kα輻射（λ=1.54 nm）、儀器管電壓為40 kV、管電流為30 mA、掃描角度為2θ=5°～90°、增量為0.02°/步的條件下測(cè)定材料的X 射線衍射（X-ray Diffraction Spectra，XRD），用于研究礦物成分的變化。采用X射線光電子能譜儀（英國，Kratos 公司，AXISULTRA）分析樣品的表面元素及其所處的化學(xué)環(huán)境。采用掃描電子顯微鏡（日本，JEOL，JSM-7500F）觀察材料的微觀形貌。采用N2吸附-脫附實(shí)驗(yàn)（美國，QuadraSorb SI）測(cè)量樣品的比表面積和平均孔徑和孔容，確定材料的微觀孔徑結(jié)構(gòu)。

1.4 吸附實(shí)驗(yàn)

取10.00 mg nZVI@CA/ZIF-8 粉末加入到25.00 mL含一定U（VI）濃度的水溶液中。利用微量HNO3或NaOH 溶液調(diào)節(jié)溶液pH，并在恒溫水浴震蕩箱中震蕩一定時(shí)間后離心分離，取上層清液1.000 mL 于25.00 mL 容量瓶中定容。利用偶氮砷Ⅲ（Arsenazo Ⅲ）法于紫外分光光度計(jì)651.8 nm處分別測(cè)定初始和平衡U（VI）濃度，最后利用式（1）計(jì)算U（VI）平衡吸附量（qe）。

式中 ：C0和Ce分別為初始和平衡 U（VI）濃度 ，mg?L?1；V為溶液體積，L；m為吸附劑質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征分析

2.1.1 XRD

nZVI@CA/ZIF-8 和 ZIF-8 的 XRD 譜 如 圖 1 所示。nZVI@CA/ZIF-8在2θ為7.430°、10.45°、12.73°、14.77°、16.60°、18.20°處的衍射角分別對(duì)應(yīng)ZIF-8 的（011）、（002）、（112）、（022）、（013）和（222）面［6］。此外，于 44.80°、64.90°和 82.40°處出現(xiàn)了 Fe0的衍射峰［7?8］，表明nZVI@CA/ZIF-8成功合成。

2.1.2 掃描電鏡和能譜分析

圖1 nZVI@CA/ZIF-8和ZIF-8的XRD譜圖Fig.1 XRD spectra of nZVI@CA/ZIF-8 and ZIF-8

吸附 U（VI）前后的 nZVI@CA/ZIF-8 掃描電鏡如圖2 所示。吸附前的nZVI@CA/ZIF-8 具有較為規(guī)則多面體結(jié)構(gòu)，同時(shí)表面附著一定量直徑約為100.0 nm 的檸檬酸包覆nZVI 顆粒。吸附 U（VI）后的nZVI@CA/ZIF-8 表面出現(xiàn)了較多針狀或片狀顆粒，這可能是由于吸附U（VI）過程中nZVI 被氧化所致。

表1列出了吸附U（VI）前后nZVI@CA/ZIF-8表面元素的原子百分比。無論吸附U（VI）前后，材料均含有C、N、Fe、O、Zn 等元素，證明檸檬酸包覆的nZVI 與ZIF-8 成功結(jié)合并表現(xiàn)出一定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。吸附U（VI）后，U 元素的原子百分?jǐn)?shù)可達(dá)7.84%，表明材料對(duì)U（VI）具有較強(qiáng)的吸附能力。

圖2 nZVI@CA/ZIF-8吸附U(VI)前后的掃描電鏡圖（[U(VI)]initial=350.0 mg?L?1，pH=4.0，S/L=0.4，t=3 h，T=25 ℃）Fig.2 SEM images of nZVI@CA/ZIF-8 before and after U(VI)adsorption([U(VI)]initial=350.0 mg?L?1,pH=4.0,S/L=0.4,t=3 h,T=25 ℃)

2.1.3 FTIR

吸附U（VI）前后nZVI@CA/ZIF-8 紅外吸收光譜如圖 3 所示。吸附前，3 422 cm?1、3 132 cm?1和2 930 cm?1分別對(duì)應(yīng)nZVI@CA/ZIF-8 中?OH、N?H和C?N伸縮振動(dòng)。1 582 cm?1和1 457 cm?1處出現(xiàn)為C=N、C?N 吸收峰。1 421 cm?1和1 381 cm?1分別對(duì)應(yīng)?COOH 和C?O 的拉伸振動(dòng)。此外，1 178 cm?1和951.0 cm?1分別為檸檬酸中C?O 的特征吸收峰和?COOH 的面外變形振動(dòng)峰。注意到MOFs 復(fù)合材料中于578.7 cm?1探測(cè)到了Fe?O 鍵振動(dòng)，證實(shí)了檸檬酸包覆nZVI 顆粒存在。同時(shí)，Zn?N 的拉伸振動(dòng)峰（423.2 cm?1）和2-甲基咪唑的平面外彎曲振動(dòng)峰（693.3 cm?1）出現(xiàn)［9?10］，再次驗(yàn)證了 nZVI@CA/ZIF-8被成功合成。

吸附U（VI）后，復(fù)合物中含N 官能團(tuán)的特征吸收峰強(qiáng)度顯著下降，這可能是由于在較低pH條件下部 分 ZIF-8 脫 溶 所 致 。 此 外 ，在 1 621 cm?1、903.3 cm?1和463.0 cm?1處出現(xiàn)新的吸收峰，分別對(duì)應(yīng)表面?OH 的拉伸振動(dòng)、O=UVI=O 的伸縮振動(dòng)以及Zn?O的拉伸振動(dòng)［11］，可能涉及水分子進(jìn)入MOFs復(fù)合材料孔道以及U（VI）通過O 與Zn 發(fā)生的配位作用。

2.1.4 BET測(cè)試

N2吸附-脫附曲線如圖4 所示。nZVI@CA/ZIF-8 吸附U（VI）前后的N2吸附-脫附等溫線表現(xiàn)為IV型H4回滯環(huán)，證明合成的MOFs復(fù)合材料具有微孔和介孔結(jié)構(gòu)。吸附U（VI）后，在低的相對(duì)壓力下N2吸附量顯著下降，表明nZVI@CA/ZIF-8中的微孔或介孔結(jié)構(gòu)可能與U（VI）的吸附密切相關(guān)。

表1 吸附U(VI)前后nZVI@CA/ZIF-8表面元素的原子百分比(%)Table 1 Atomic percentage of each element on nZVI@CA/ZIF-8 before and after U(VI)adsorption(%)

圖3 nZVI@CA/ZIF-8吸附U(VI)前后的紅外光譜（[U(VI)]initial=350.0 mg?L?1，pH=4.0，S/L=0.4，t=3 h，T=25 ℃）Fig.3 FTIR spectra of nZVI@CA/ZIF-8 before and after U(VI)adsorption（[U(VI)]initial=350.0 mg?L?1，pH=4.0，S/L=0.4，t=3 h，T=25 ℃）

表 2 列出吸附 U（VI）前后 nZVI@CA/ZIF-8 的BET參數(shù)。吸附U（VI）后MOFs復(fù)合材料比表面積和孔容大幅下降，說明U（VI）或水分子可能進(jìn)入到nZVI@CA/ZIF-8孔道中。

圖4 吸附U(VI)前后nZVI@CA/ZIF-8的N2吸附-脫附等溫線（[U(VI)]initial=350.0 mg?L?1，pH=4.0，S/L=0.4，t=3 h，T=25 ℃）Fig.4 N2 adsorption-desorption isotherms of nZVI@CA/ZIF-8 before and after U(VI)adsorption（[U(VI)]initial=350.0 mg?L?1，pH=4.0，S/L=0.4，t=3 h，T=25 ℃）

2.1.5 XPS

吸附 U（VI）前后 nZVI@CA/ZIF-8 的 XPS 全譜如圖5（a）所示。吸附U（VI）前后，材料均含有C、N、Fe、O、Zn 等元素，吸附U（VI）后出現(xiàn)了 U4f 峰證實(shí)了此MOFs 復(fù)合物對(duì)U（VI）吸附能力，與EDX 測(cè)試結(jié)果一致。

對(duì)U4f 精細(xì)譜分峰后（圖5（b）），在結(jié)合能分別為381.4 eV 和392.2 eV 擬合出代表U（IV）的峰，表明在吸附過程中涉及U（VI）的還原。進(jìn)一步對(duì)O1s精細(xì)譜分峰擬合后發(fā)現(xiàn)（圖5（c）），吸附U（VI）后在530.7 eV 和 533.2 eV 結(jié)合能處出現(xiàn)了 Zn?O?U 和H2O 的?OH 峰［11］，再次證實(shí)了 U（VI）可能通過 O 與Zn2+發(fā)生的配位以及水分子的進(jìn)入，與FTIR 分析結(jié)果一致。最后，圖5（d）中在710.0 eV 和724.0 eV 結(jié)合能處代表著Fe（III）峰的出現(xiàn)以及709.0 eV 處的Fe0的峰位消失［12］，表明 U（VI）的還原過程涉及nZVI的氧化。

表2 吸附U(VI)前后nZVI@CA/ZIF-8的BET表面積、孔容和孔徑Table 2 The BET surface area,pore volume and pore size of nZVI@CA/ZIF-8 before and after U(VI)adsorption

2.2 靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

圖5 吸附U(VI)前后nZVI@CA/ZIF-8的XPS全譜(a)和U4f(b)、O1s(c)、Fe2p(d)的精細(xì)譜（[U(VI)]initial=350.0 mg?L?1，pH=4.0，S/L=0.4，t=3 h，T=25 ℃）Fig.5 The XPS analysis of nZVI@CA/ZIF-8 before and after U(VI)adsorption:survey scans(a)and high-resolution scan of U4f(b),O1s(c),Fe2p(d)([U(VI)]initial=350.0 mg?L?1，pH=4.0，S/L=0.4，t=3 h，T=25 ℃)

接觸時(shí)間對(duì) nZVI@CA/ZIF-8 吸附U（VI）性能的影響如圖6（a）所示，在90 min 以內(nèi)，由于材料表面的傳質(zhì)阻力較小，吸附量隨著時(shí)間的增加而快速上升，隨著吸附時(shí)間延長(zhǎng)，有限數(shù)量的表面吸附位點(diǎn)被占據(jù)，在90 min 后逐漸趨于平衡。為了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇3.0 h作為接觸時(shí)間以保證吸附達(dá)到完全平衡。圖6（b）繪制了初始pH對(duì)材料吸附U（VI）性能的影響，當(dāng) pH 小于 4.0 時(shí)，吸附量隨著pH 的上升而增大，平衡吸附量約達(dá)（110.0±·5.0）mg?g?1。低pH 下吸附量較低的原因可能是由于MOFs 復(fù)合材料表面質(zhì)子化以及少量的nZVI@CA/ZIF-8 溶解所致［13］。隨著 U（VI）初始濃度從 10.00 mg?L?1增加到350.0 mg?L?1，U（VI）吸附量逐漸增大，并在350.0 mg?L?1以后趨于平衡（圖6（c））。溫度的影響如圖6（d）所示，可以明顯看出，較高溫度有利于nZVI@CA/ZIF-8吸附U（VI），歸因于加強(qiáng)了的離子或分子熱運(yùn)動(dòng)。此外，nZVI@CA/ZIF-8 吸附U（VI）量在 NaCl 濃度為 0～0.5 mol?L?1范圍內(nèi)基本保持不變（圖6（e）），表明材料具有良好Na+抗性，即使在較高離子強(qiáng)度條件（0.5 mol?L?1）下，材料依然保持較好的吸附U（VI）能力。本實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，最佳吸附條件為：C0=350.0 mg?L?1、pH=4.0、t=90 min和T=30 ℃。

2.3 動(dòng)力學(xué)、等溫模型和熱力學(xué)分析

利用準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型來描述nZVI@CA/ZIF-8吸附U（VI）過程，其線性表達(dá)式：

表3 nZVI@CA/ZIF-8吸附U(VI)動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 3 Kinetic parameters for U(VI)adsorption by nZVI@CA/ZIF-8

式中：qt為t時(shí)刻的吸附量，mg·g?1；k1（min?1）和k2（mg·g?1·min?1）分別是準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)速率常數(shù)。動(dòng)力學(xué)擬合曲線示于圖7，相應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)列于表3。從相關(guān)系數(shù)（R2）值可以判斷，nZVI@CA/ZIF-8吸附U（VI）更符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，表明此吸附過程為化學(xué)吸附主導(dǎo)［14］。

等溫模型分析主要采用Langmiur 和Freundlich等溫吸附模型，其表達(dá)式分別為：

式中：KL是Langmuir吸附平衡常數(shù)，L?mg?1；KF是與吸附量有關(guān)的Freundlich常數(shù)，mg?g?1（L?mg?1）1/n，qm是最大理論吸附量，mg?g?1。

等溫模型擬合曲線及參數(shù)分別繪制和列于圖8和表4。相較于Freundlich等溫模型，Langmuir等溫模型具有更高的相關(guān)系數(shù)值，表明此MOFs 復(fù)合物吸附U（VI）主要為單層表面吸附。此外，1/nF介于0.100～1.000，說明nZVI@CA/ZIF-8 對(duì)U（VI）的吸附有利［15］。

圖6 時(shí)間(a)、初始pH(b)、U(VI)平衡濃度(c)、溫度(d)及離子強(qiáng)度(e)對(duì)nZVI@CA/ZIF-8吸附U(VI)影響（實(shí)驗(yàn)采用控制變量法：固液比0.4，固定4個(gè)條件（[U(VI)]initial=50.0 mg?L?1,pH=4.0,t=3 h,T=25 ℃）中的三個(gè)條件，改變其中一個(gè)條件，誤差范圍±5%）Fig.6 The effect of contact time(a),initial pH(b),U(VI)concentration(c),temperature(d)and ionic strength(e)on U(VI)adsorption by nZVI@CA/ZIF-8(The control variable method:S/L=0.4,4 conditions are[U(VI)]initial=50.0 mg?L?1,pH=4.0,t=3 h,T=25 ℃,among which 1 condition is selected as the variable,Error range of±5%)

圖7 nZVI@CA/ZIF-8吸附U(VI)動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線Fig.7 Fitting curves of the adsorption kinetic models for U(VI)adsorption by nZVI@CA/ZIF-8

熱力學(xué)參數(shù)值計(jì)算：

式中 ：Kd為分配系數(shù) ，mL·g?1；ΔHθ（kJ·mol?1），ΔSθ（J·mol?1·K?1）和 ΔGθ（kJ·mol?1）分別為焓變、熵變和吉布斯自由能變化；T為絕對(duì)溫度，K；R為氣體常數(shù)，8.314 J·mol?1·K?1。

表4 Langmuir和Freundlich等溫模型參數(shù)Table 4 Langmuir and Freundlich isothermal model parameters

從lnKdvs.1/T線性曲線（圖9）得到相應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)值（表5）。ΔHθ大于0表明此MOFs復(fù)合物吸附U（VI）為一吸熱過程，此外和ΔGθ值隨著溫度的增加而下降，表明高溫有利于nZVI@CA/ZIF-8復(fù)合材料吸附U（VI）。

圖8 nZVI@CA/ZIF-8吸附U(VI)的Langmiur等溫模型(a)和Freundlich等溫模型(b)擬合曲線Fig.8 Langmuir(a)and Freundlich(b)isotherm models for U(VI)adsorption by nZVI@CA/ZIF-8

表5 nZVI@CA/ZIF-8吸附U(VI)的熱力學(xué)參數(shù)Table 5 Thermodynamic parameters for U(VI)adsorption by nZVI@CA/ZIF-8

Olga 等［16］考察了零價(jià)納米鐵顆粒與鈾酰離子反應(yīng)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)在pH 為3～7 的10?3mg?L?1的鈾酰溶液中，鈾主要以還原沉淀UO2的形式從溶液中去除。Sun等［17］研究了還原氧化石墨烯負(fù)載納米零價(jià)鐵復(fù)合物對(duì)U（VI）的協(xié)同吸附和還原過程，X 射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（X-ray Absorption Near Edge Structure，XANES）和XPS譜分析表明，SOUO2+和UO2（s）共存于復(fù)合物表面。此外，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)各表征分析數(shù)據(jù)，nZVI@CA/ZIF-8 吸附 U（VI）主要涉及 U（VI）被nZVI 顆粒還原為U（IV）并以UO2形式賦存于復(fù)合物表面，以及與Zn形成Zn-O-U配位鍵。綜上研究，繪制可能的 nZVI@CA/ZIF-8 吸附 U（VI）機(jī)理圖（圖10）。

圖9 nZVI@CA/ZIF-8吸附U(VI)的熱力學(xué)分析曲線Fig.9 Thermodynamic fitting curves for U(VI)adsorption by nZVI@CA/ZIF-8

圖10 nZVI@CA/ZIF-8吸附U(VI)機(jī)理示意圖Fig.10 Schematic plot of mechanisms for U(VI)adsorption by nZVI@CA/ZIF-8

3 結(jié)語

1）成功制備了一種具有高比表面積（1 271 m2?g?1）的 ZIF-8 負(fù)載檸檬酸包覆的 nZVI 復(fù)合材料（nZVI@CA/ZIF-8）。XRD和SEM-EDX結(jié)果表明：nZVI@CA/ZIF-8 具有 ZIF-8 和 nZVI 的晶體結(jié)構(gòu)及顯微形貌，并表現(xiàn)出對(duì)U（VI）良好的吸附性能。FTIR和XPS分析表明，U（VI）能被nZVI顆粒還原為U（IV）并以UO2形式賦存于復(fù)合物表面，并可能和nZVI@CA/ZIF-8形成Zn-O-U表面配位鍵。

2）靜態(tài)實(shí)驗(yàn)表明，nZVI@CA/ZIF-8 對(duì)U（VI）吸附量隨著初始pH、U（VI）初始濃度和溫度的升高而增加。在pH 為4.0、反應(yīng)溫度為25 ℃、鈾初始濃度為50.00 mg?L?1的條件下，復(fù)合物對(duì)U（VI）的平衡吸附量約可達(dá)115.0 mg?g?1。此外，即使在較高鈉離子強(qiáng)度（0.5 mol?L?1）條件下，此種MOFs復(fù)合材料依然保持較好的吸附U（VI）能力。

3）動(dòng)力學(xué)、等溫模型和熱力學(xué)分析結(jié)果表明：nZVI@CA/ZIF-8 對(duì) U（VI）吸附過程為一自發(fā)吸熱的單層表面化學(xué)吸附過程。

綜上研究，nZVI@CA/ZIF-8 對(duì) U（VI）具有良好的吸附性能，有望成為水溶液中U（VI）的提取或去除候選MOFs復(fù)合材料。