随着人类活动的日益密集，磷的过量排放已演变为亟待解决的全球性环境难题。水体中磷浓度的异常升高会显著加速藻类等浮游生物的暴发性增殖，进而直接引发水体富营养化现象。这一过程会严重破坏水生生态系统的结构平衡与功能稳定，最终导致水质显著恶化、水生生物大量死亡等生态问题。鉴于磷在自然水体中主要以磷酸盐形态存在，高效去除这类磷污染物，成为抑制有害藻华爆发、维系水体生态健康的核心环节。因此，开发具备长效稳定性与高吸附性能的磷吸附材料，已成为环境治理领域的迫切需求。然而，当前吸附材料的实际应用仍面临多重挑战：如何设计同时实现高吸附效率（快速大量捕获磷酸盐）、易分离特性（材料回用且避免残留造成二次污染）与可持续循环性（降低使用成本并减少固废产生）的吸附材料，仍是亟待突破的核心技术瓶颈。
近日，中国科学院城市环境研究所郑煜铭团队在期刊《Separation and Purification Technology》上，发表了最新研究成果“Reusable aminated electrospun nanofiber mat for enhanced phosphorus removal: Fabrication and performance evaluation”。研究团队成功研制了一种嵌入ZIF-8的聚丙烯腈（PAN）/聚乙烯亚胺（PEI）纳米纤维膜（APPZ-5），为废水中磷的高效、可持续去除提供了潜在的解决方案。
图1 ZIF-8, PAN纳米纤维膜和PPZ纳米纤维膜的SEM图
SEM图显示成功制备了具有六边形与准立方体形态的ZIF-8纳米晶体（图1a）。纯PAN纳米纤维表面光滑且形态均匀，其平均纤维直径为157.6 nm（图1b）。当体系中引入PEI后，受纺丝溶液粘度显著升高的影响，纤维平均直径大幅增至732.3 nm（图1c）。而ZIF-8的引入不仅使纤维直径显著减小，同时形成了表面更粗糙、整体分布更均匀的结构形态，这一形貌变化可显著增强材料与PO43−的相互作用（图1d和e）。值得注意是，当ZIF-8负载量提高至10%时，纤维表面可观察到显著的纳米颗粒团聚体，且伴随明显的珠状结构生成（图1f）。
图2 APPZ-5对磷的吸附等温线及动力学拟合
相较于未添加ZIF-8的胺化PAN/PEI纳米纤维膜，APPZ-5纳米纤维膜对磷的吸附容量提高了近三倍，达139.07 mg-P g-1。吸附等温线模型拟合分析结果显示，Redlich-Peterson模型的拟合度最高（R² = 0.9974），表明该吸附过程遵循多层吸附机制。该机制源于材料表面的异质性及PO43−间的相互作用。具体而言，ZIF-8的嵌入一方面通过减小纤维直径、增加表面粗糙度，扩大了材料与磷的接触面积；另一方面通过引入更多活性吸附位点，使纤维膜表面形成具有多级亲和性的异质结构，为PO43−的多层吸附提供了有利条件，最终促成了高效多层吸附机制的实现。并且，APPZ-5纳米纤维膜还展现出优异的吸附动力学性能，仅需90分钟即可达到吸附平衡。动力学研究进一步表明，在55 mg-P·L−1和100 mg-P·L−1两种初始浓度下，准二级动力学模型均与实验数据高度吻合，相关系数（R²）分别达到0.9998和0.9997，有力证明了化学吸附是APPZ-5纳米纤维膜吸附磷的主导机制。
图3 APPZ-5对磷的吸附过程中共存离子影响及脱附循环性能研究
共存离子干扰实验显示，NO3-和Cl-对吸附效果影响甚微，而SO42-和F-离子则表现出中等程度的竞争干扰。再生性能测试结果表明，吸附饱和再生后的APPZ-5纳米纤维膜依旧保持高效的磷吸附性能，吸附容量未出现明显衰减，凸显出优异的长期循环稳定性，为降低实际应用成本、实现可持续除磷提供了重要参考。此外，嵌入ZIF-8纳米晶体的纤维膜展现出良好的结构完整性，通过电感耦合等离子体分析检测，未检出锌离子溶出。这一结果证实了ZIF-8与纤维基体间的牢固结合，可规避二次污染风险，确保材料的环境安全性与应用可靠性。
图4 APPZ-5对磷的吸附柱实验
为进一步验证APPZ-5纳米纤维膜在实际应用场景中的可行性，研究团队还开展了实际废水的吸附柱实验，结果验证了APPZ-5纳米纤维膜在连续流条件下的应用潜力。动态吸附模拟分析显示，Clark模型与实验数据的吻合度最高（R²= 0.989）。拟合结果表明，APPZ-5的吸附柱过程并非单一因素调控，而是同时受到反应动力学速率与材料表面异质性的共同影响。该动态吸附特征与吸附等温线研究中观察到的Redlich-Peterson模型吸附行为高度一致，进一步印证了APPZ-5吸附机制的统一性，为其从实验室研究向潜在实际工程应用转化提供了理论与数据支撑。
论文链接： www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1383586625033969
人物简介：
郑煜铭，中国科学院特聘研究员，博士生导师，现任中国科学院城市环境研究所副所长，兼任厦门市人大城建环资委副主任委员、福建省环境科学学会副理事长和中国科学技术大学博导。长期从事污染防治功能材料、污染控制技术及工程应用等研究工作。近年承担国家重点研发计划项目课题、中科院先导专项培育项目课题、国家自然基金、省市重大科技项目等10余项。在Nat Rev Clean Technol、Environ Sci Technol、Water Res、App. Catal B: Environ.和J Membr Sci等本领域重要SCI期刊发表论文100多篇；获授权专利40多项，参编国家、团体标准3项；多项研究成果实现产业化应用，为企业创效数亿元；以第一完成人获中国侨届贡献奖、福建省科技进步奖、厦门市科技进步奖和发明奖各1项。
钟鹭斌，博士，中国科学院城市环境研究所副研究员，硕士生导师，中国科学院青年创新促进会会员。长期从事污染防治功能材料研究。近年主持了国家重点研发计划项目子课题、国家自然科学基金面上项目、中国科学院青年创新促进会人才项目和企业委托项目等10余项。在Environ Sci Technol、J Membr Sci、Anal Chem等本领域重要SCI期刊发表论文40余篇，撰写专著1部，授权发明专利16项，实用新型5项；荣获厦门市科技进步奖二等奖。
