就地组装的 MIL-101(Cr) 复合材料功能化壳聚糖和单宁酸，作为有效的 Pb2+ 吸附剂用于水溶液去除

为什么清除水中铅很重要

铅在世界许多水源中是一个隐蔽的威胁。它可以从工厂、矿山和老旧管道渗入河流和地下水，即使是微量也会损害大脑、心脏和肾脏——尤其是对儿童。本研究探索了一种新材料，其像微观海绵一样高效、可靠地从水中吸取铅，并且可多次重复使用，为更安全的饮用水和更清洁的生态系统提供了有前景的方案。

一种新型的智能清洁海绵

研究人员构建了一种将实验室化学与天然成分结合的混合材料。其骨架是一种高度多孔的晶体 MIL-101(Cr)，遍布微小的笼室和通道，提供巨大的内部比表面积。在此框架上，他们组装了两种源自植物和贝壳的助剂：壳聚糖——一种从甲壳类外壳获得的生物高分子，以及富含金属捕获化学基团的天然单宁酸。通过在水中让这些组分直接共同形成，他们创造了一个互相交织的网络，其中晶体框架提供结构与空间，而壳聚糖和单宁酸则提供许多用于抓取铅的粘附位点。

材料的制备与外观

为构建这种复合材料，团队先在热水中生长出多孔的 MIL-101(Cr) 晶体，然后配制出平滑的壳聚糖与单宁酸混合物。他们缓慢地将两者结合，使生物聚合物混合物包裹并锚定在晶体颗粒表面。显微镜显示最终材料由原始良好形状的晶体嵌入在一层薄而粗糙的天然聚合物涂层中，晶体并未塌陷或团聚。其他测试显示该复合材料保持了非常大的比表面积——每克几乎相当于九个足球场，并同时包含微小孔和较大孔。这种双孔结构有助于水和溶解的铅深入材料内部，同时仍提供大量内部角落用于捕获。

其去除水中铅的效果如何

接着，团队测试了该复合材料在不同条件下从水中去除铅的效率。结果表明，它每克可吸附超过 300 毫克铅，并且在水呈微酸性到中性 pH（类似许多自然水体）时，能从测试溶液中去除约 99% 的铅。大部分铅在最初几小时内被捕获。描述物质如何粘附到表面的数学模型在假定铅在复合材料表面形成单层有序吸附并且结合涉及相对较强、近似“锁与钥匙”式相互作用时与数据的拟合最好，而非仅靠弱吸引。该过程在较高温度下表现略好，表明适度升温有助于铅离子进入并附着于孔内。

在更现实的混合水体中的表现

实际废水很少是纯净的；它含有许多其他盐类和有机物质，这些物质会与相同的结合位点竞争。因此研究人员依次添加了其他常见离子和染料分子以观察它们是否会阻碍铅的捕获。一些带正电的金属离子和染料确实通过与材料表面的负电位点竞争而略微降低了性能，但即便在这些更复杂的条件下，复合材料仍捕获了大部分铅。重要的是，该材料能经受重复再生：吸附铅后，可用温和的酸洗液浸洗以释放被困金属并重复使用。经过六个这样的循环后，其去除铅的效率仍约为首次的 90%，且铬的溶出量极小，表明框架在很大程度上保持完整。

这对更安全水源的意义

简单来说，这种新型复合材料像一种耐用、可重复使用的海绵，特别善于在水中锁定铅。其复杂的内部结构提供了大量容纳污染物的位置，而天然组分则有助于强烈吸引并结合铅。由于它兼具高吸附容量、快速作用和长期稳定性，并且由相对温和的原料在水中制备，该材料在净化受污染水源的处理厂或其他工程系统中是一种有潜力的候选者。尽管仍需在真实废水和连续流装置中做进一步测试，这项工作指向了可能帮助社区减少接触这一最危险重金属之一的实用且环保的工具。

引用: Hemdan, M., Fayad, E., Binjawhar, D.N. et al. In situ assembled MIL-101(Cr) composite functionalized with chitosan and tannic acid as an efficient adsorbent for Pb²⁺ removal from aqueous solutions. Sci Rep 16, 9960 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45525-x

关键词: 铅去除, 水净化, 吸附材料, 金属有机框架, 壳聚糖复合材料