摘要：随着化学工业的快速发展，重金属废水污染已成为全球环境污染的重要问题。为了提高废水中重金属离子的吸附性能，并提供高效、可再生的废水处理材料，研究基于聚丙烯腈（PAN）金属有机框架，采用静电纺丝技术制备了具有沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）和支化聚乙烯亚胺接枝环己烯胺聚丙烯腈（b-PEI-E）的纳米纤维膜。结果表明，制备的纳米纤维膜对铜、铬和铅等重金属离子的最大吸附量分别达到138.94 mg/g、226.54 mg/g和216.36 mg/g。当ZIF-8质量分数为8％时，铜、铬和铅等重金属离子的最大吸附量分别为75.05 mg/g、161.58 mg/g和174.98 mg/g。当b-PEI-E质量分数为30％时，铜、铬和铅等重金属离子的最大吸附量则提升至80.64 mg/g、139.46 mg/g和159.82 mg/g。基于b-PEI-EPAN ZIF-8的废水处理方法具有优异的重金属吸附性能，为开发高效、可再生的废水处理材料提供了新的思路。

　　关键词：重金属；废水处理；吸附材料；化学工业；金属有机框架

　　0引言

　　随着工业化进程的加速，重金属污染问题在全球范围内日益严重。化学工业中使用的铜、铬和铅等重金属如果未经有效处理直接排放，将对生态环境造成长期的负面影响[1]。然而，传统的重金属废水处理方法，如化学沉淀、电解和离子交换等，存在处理成本高、效率低以及二次污染等问题，且对重金属废水的处理效果并不稳定[2]。近年来，金属有机框架材料因其独特的结构、较大的比表面积以及高效的吸附能力，成为废水处理领域的研究热点。金属有机框架是一类由金属离子或金属簇与有机配体通过强配位键连接而成的多孔材料，具有非常高的比表面积、可调节的孔隙结构、良好的化学稳定性以及可调节的功能化表面等优点[3]，被广泛应用于水污染治理和环境保护领域。例如，李红林等[4]探讨了金属有机框架改性膜在废水处理中的应用进展，提出通过开发新型多孔纳米结构膜材料，可以有效实现脱盐、重金属去除、染料去除和油水分离。此外，Parsaei M等[5]研究了金属有机框架纳米复合材料的吸附能力。结果表明，这种新颖的吸附剂具有较高的吸附能力，对重金属的吸附效果显著。在此背景下，创新性地提出了一种基于b-PEI-EPAN ZIF-8的化学工业重金属废水处理方法，将b-PEI-E与ZIF-8相结合，制备出能高效吸附重金属的纳米纤维膜。

　　1方法和材料

　　1.1实验材料和仪器

　　实验中使用的主要化学试剂和材料包括PAN、聚乙烯亚胺（Polyethyleneimine，PEI）、环己烯胺（Cyclohexene oxide，Epoxy）、沸石咪唑酯骨架-8（Zeolitic Imidazolate Framework-8，ZIF-8）和N，N-二甲基甲酰胺（N，N-Dimethylformamide，DMF）等，如表1所示。主要的实验仪器设备包括静电纺丝机、场发射扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪以及X射线衍射仪等，如表2所示。

　　在制备纳米纤维膜时，首先，将PAN溶解于DMF中，并在恒温条件下进行磁力搅拌3 h，直到形成均匀的溶液。为了构建多孔载体结构，研究采用了质量分数分别为0、3％、5％、8％和10％的ZIF-8与溶剂进行混合，并通过超声分散处理10 min，使ZIF-8纳米粒子均匀悬浮。随后，通过分步掺入法，将质量分数分别为5％、10％、20％、30％和40％的b-PEI-E加入ZIF-8分散体系中，并在60℃的恒温环境下，机械混合12 h，形成稳定的纺丝前驱液。最后，通过系统实验筛选出最优的复合比例，并采用高压静电纺丝技术制备复合纤维膜。

　　1.3吸附实验

　　为了评估纳米纤维膜的吸附性能，研究将不同浓度的铜、铬和铅等离子溶液与制备的纳米纤维膜样品接触，并在恒温条件下进行2 h的摇床吸附实验。在吸附实验中，为了验证不同pH值和温度对吸附性能的影响，研究通过0.01 mol/L NaOH溶液将吸附体系的pH值调节至1～10的范围内。同时，在60℃恒温环境下均匀加热至120℃。吸附结束后，通过分离滤膜过滤溶液，并使用原子吸收光谱仪测定残余重金属离子的质量浓度。吸附量通过比较初始质量浓度与最终质量浓度的差异来计算，计算公式如式（1）所示。

　　式中：qe为平衡吸附量，mg/g；ρ0和ρe分别为初始质量浓度和平衡质量浓度，mg/L；m为纤维膜质量，g；V为溶液体积，L。

　　1.4数据处理

　　实验数据采用Microsoft Excel 2003软件记录原始数据，并进行相关计算。数据的误差分析采用标准差和置信区间的方式进行处理。研究对独立样本进行t检验以分析显著性，差异显著性水平设定为p＜0.05。

　　2结果分析

　　不同质量分数的ZIF-8和b-PEI-E对重金属离子的吸附性能如图1所示。从图1中可以看出，随着ZIF-8质量分数的增加，三种重金属离子的吸附量呈现上升趋势。然而，当ZIF-8质量分数达到10％时，吸附量出现了一定的下降。这表明，ZIF-8质量分数为8％时最为合适。此时，铜、铬和铅三种金属离子的吸附量达到最大值，分别为75.05、161.58、174.98 mg/g。当b-PEI-E质量分数为30％时，三种金属离子的吸附量最大，此时铜、铬和铅的吸附量分别为80.64、139.46、159.82 mg/g。可以看出，对ZIF-8和b-PEI-E质量分数进行优化，对于提高重金属吸附性能具有显著作用。

　　为了进一步验证不同pH值和温度对吸附性能的影响，研究选择了质量分数为8％的ZIF-8和质量分数为30％的b-PEI-E，在不同pH值和温度下进行对比分析，结果如图2所示。从图2可以看出，随着pH值的增大，纳米纤维膜对各重金属离子的吸附量呈现先增大、后减小的趋势。当pH值为2时，铬离子的吸附量最大，达到226.54 mg/g。当pH值增大至5时，铜和铅离子的吸附量也达到了最大值，此时分别为135.82 mg/g和194.68 mg/g。随着温度的升高，纳米纤维膜对各离子的吸附量逐渐增大，直到110℃时吸附量不再显著增加。此时，铜、铬和铅的最大吸附量分别为138.94、187.91、216.36 mg/g。可以看出，pH值和温度在影响吸附性能方面发挥了重要作用。

　　3结论

　　为提高废水处理效率并减少污染物对生态环境的危害，研究探讨了基于b-PEI-EPAN ZIF-8的重金属废水处理方法。结果显示，当ZIF-8质量分数为8％时，铜、铬和铅的最大吸附量分别为75.05、161.58、174.98 mg/g。当b-PEI-E质量分数为30％时，各金属离子的最大吸附量分别达到了80.64、139.46、159.82 mg/g。此外，pH值和温度对吸附性能具有显著影响。研究发现，当pH值为2时，铬离子的吸附量最大，达到226.54 mg/g。而在pH值为5时，铜和铅离子的吸附量分别达到135.82 mg/g和194.68 mg/g。随着温度的升高，吸附量逐渐增加，至110℃时，铜、铬和铅的最大吸附量分别为138.94、187.91、216.36 mg/g。综上所述，基于b-PEI-EPAN ZIF-8的纳米纤维膜在重金属废水处理中的吸附性能表现出优异的效果。尽管该方法表现出了高效的重金属离子吸附能力，但当pH值和温度持续增大时，吸附量开始下降。因此，未来的研究可以进一步探索纤维膜的稳定性，以提升其在不同环境条件下的持续吸附能力和实用性。

参考文献

　　[1]史曼伊，申渝，傅慧敏，等.工厂化循环水养殖系统重金属积累的生物毒性及去除技术[J].工业水处理，2024，44（10）：18-31.

　　[2]孙炫浩，邓岳鹏，徐栩，等.基于电化学信号调控优化重金属络合废水处理工艺[J].电镀与涂饰，2024，43（10）：146-154.

　　[3]郑昊昱，胡可心，沈莘桐，等.铋基光催化复合材料在水处理中的应用研究进展[J].现代化工，2024，44（9）：46-49.

　　[4]李红林，沈舒苏，吴逸，等.金属有机框架改性膜在废水处理中的应用进展[J].功能材料，2022，53（4）：4028-4038.

　　[5]Parsaei M,Roudbari E,Piri F,et al.Neural-based modeling adsorption capacity of metal organic framework materials with application in wastewater treatment[J].Scientific Reports,2022,12(1):4125-4128.