主要作者与发表信息
本研究由北京理工大学化学与化工学院、教育部簇科学重点实验室的Karim Youssef Nabat、Ali Raza Ayub、Tesfa Oluma Fufa、Niu Zhang、Xiyan Xu、Hansheng Li、Hui Li等人，联合埃及Pharos大学石化工程系、埃及科学研究与技术应用城市环境与天然材料研究所的研究人员共同完成。通讯作者为Xiyan Xu、Hansheng Li和Hui Li。该研究论文发表于国际期刊《Desalination》第633卷（2026年），文献编号120270，于2026年5月8日在线发表。
学术背景
水体重金属污染是全球范围内威胁人类健康和水生态系统的关键问题，同时也会降低海水淡化过程的效率。在海水和苦咸水等给水中，铜离子（Cu(II)）和锌离子（Zn(II)）的存在会导致膜污染和有机沉积，若处理不当还会污染产水。此外，淡化厂排放的浓缩卤水中含有高浓度的重金属离子，对其处置和再利用构成挑战。世界卫生组织规定，饮用水中铜和锌的浓度分别不得超过31.5 μmol/L和45.9 μmol/L。因此，开发高效去除水中重金属的材料对于水净化和海水淡化至关重要。
在众多水处理方法中，吸附技术因其低成本、高去除效率、操作简便且可通过多次循环再生而备受青睐。席夫碱（Schiff base）因其含有偶氮甲碱（C=N）供体位点，对金属离子具有强而选择性的结合能力，被广泛用于改性吸附材料。羧甲基纤维素（carboxymethyl cellulose, CMC）具有可生物降解、来源丰富和成膜性好的特点，而聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA）则以其优异的稳定性和耐腐蚀性著称，二者可通过氢键形成稳定的复合材料。本研究旨在将新型席夫碱配体固定于CMC/PVA基质中，制备高效、可再生的生物复合吸附剂，用于去除水中的Cu(II)和Zn(II)，并结合密度泛函理论计算和成本分析评估其实际应用潜力。
详细研究流程
本研究首先合成了两种新型席夫碱配体LA35和LH35。合成方法为：将3,5-二叔丁基-2-羟基苯甲醛分别与等摩尔的L-精氨酸或L-组氨酸在无水乙醇中于室温下搅拌反应12小时，经布氏漏斗过滤和乙醇重结晶纯化，得到黄色粉末产物。LA35的收率为91.8%，LH35的收率为89.6%。利用傅里叶变换红外光谱、核磁共振氢谱和电喷雾电离质谱对配体结构进行了表征。
随后，将席夫碱配体通过氢键作用固定于CMC/PVA基质中，制备复合吸附剂CMC/PVA-LA35和CMC/PVA-LH35。具体方法为：配制3%的CMC水溶液和5%的PVA水溶液，将5 mL CMC溶液与3 mL PVA溶液混合并超声处理10分钟，然后加入60 mg配体的乙醇溶液，搅拌2小时以确保氢键形成和充分接触，最后超声脱除气泡并蒸干溶剂。利用扫描电子显微镜、X射线衍射、热重分析、BET比表面积分析和Zeta电位等手段对复合材料进行了系统表征。BET分析显示，CMC/PVA的比表面积为31.243 m²/g，引入席夫碱后，CMC/PVA-LA35和CMC/PVA-LH35的比表面积分别增加至88.562 m²/g和92.327 m²/g，孔径主要分布在100–180 nm范围内。
在吸附实验中，研究人员考察了吸附剂用量、溶液初始pH、接触时间、初始浓度和温度等因素对Cu(II)和Zn(II)吸附性能的影响。采用准一级、准二级、Elovich和内扩散等动力学模型拟合吸附动力学数据；采用Langmuir、Freundlich和Temkin等温线模型拟合等温吸附数据。通过热力学计算获得吉布斯自由能变、焓变和熵变。还进行了竞争离子实验以评估吸附剂的选择性，以及六次吸附-脱附循环实验以评估其再生性能。最后，使用Gaussian 16软件在B3LYP/6-31G(d,p)水平上进行密度泛函理论计算，分析了配体及其金属配合物的前线分子轨道、非共价相互作用、分子静电势和自旋密度分布，揭示了吸附机理。
主要研究结果
吸附剂用量实验表明，当吸附剂剂量从0.1 g/L增加到1 g/L时，Cu(II)和Zn(II)的去除率均显著提高，最终在0.2 g/L剂量下达到平衡，因此后续实验选择该剂量。pH实验显示，两种复合吸附剂对Cu(II)和Zn(II)的吸附能力随pH升高而增加，在pH 5时达到最优，CMC/PVA-LA35和CMC/PVA-LH35对Cu(II)的吸附容量分别为235.29 mg/g和243.23 mg/g，对Zn(II)分别为231.81 mg/g和223.27 mg/g。Zeta电位分析表明，两种材料的等电点分别约为3.54和3.36，当pH高于等电点后表面带负电，有利于吸引金属阳离子。
吸附动力学实验表明，Cu(II)和Zn(II)的吸附容量在初始阶段迅速增加，随后逐渐趋于平衡。数据拟合结果显示，准二级动力学模型与实验数据吻合最好，表明吸附过程主要受化学吸附控制。等温吸附实验中，Langmuir模型给出了最高的相关系数（R²值在0.980至0.990之间），表明吸附发生在均匀的单分子层表面。热力学实验显示，随着温度从298 K升高到318 K，最大吸附容量显著增加。在318 K和pH 5条件下，CMC/PVA-LA35和CMC/PVA-LH35对Cu(II)的最大吸附容量分别达到474.38 mg/g和532.15 mg/g，对Zn(II)分别达到516.49 mg/g和468.04 mg/g。热力学参数计算表明，吸附过程的吉布斯自由能变为负值，且随温度升高而更负，焓变和熵变均为正值，证实吸附反应是自发的吸热过程。
竞争离子实验显示，在含有Al(III)、Cd(II)、Co(II)、Cr(III)、Fe(III)、Mn(II)、Mg(II)、Ni(II)、Na(I)、Pb(II)等多种金属离子的混合溶液中，两种吸附剂对Cu(II)和Zn(II)仍保持较高的选择性和去除效率（去除率在62%至72%之间）。六次循环再生实验后，CMC/PVA-LA35对Cu(II)和Zn(II)的去除效率从最初的94.12%和92.73%分别下降至76.72%和71.33%；CMC/PVA-LH35对Cu(II)和Zn(II)的去除效率从97.29%和89.31%分别下降至81.69%和67.32%，表明复合材料具有突出的可重复使用性。紫外-可见光谱分析证实，吸附-脱附过程中未发现配体从基质中浸出。
密度泛函理论计算揭示了金属-配体相互作用的电子结构机制。前线分子轨道分析表明，自由配体LA35和LH35的前线轨道能隙分别为4.19 eV和5.01 eV。与Zn(II)配合后，能隙分别减小至3.28 eV和3.61 eV；与Cu(II)配合后，能隙进一步减小至2.57 eV和2.52 eV。能隙的减小表明电荷转移增强和金属-配体配合物稳定性提高，这与实验观察到的Cu(II)吸附容量高于Zn(II)的结果一致。非共价相互作用分析、分子静电势分析和自旋密度分析进一步证实了配体中的氧、氮供体原子与金属离子之间的有效配位作用。经济评价研究表明，CMC/PVA-LH35对铜的吸附成本为0.00796美元/毫克，CMC/PVA-LA35对锌的吸附成本为0.00876美元/毫克，经过六次循环后总成本极低，表明该吸附剂系统在重金属修复中具有良好的商业可行性。
结论与研究价值
本研究成功合成了两种新型席夫碱配体LA35和LH35，并将其固定于CMC/PVA基质中制备了高效的生物复合吸附剂。这些吸附剂对Cu(II)和Zn(II)展现出优异的吸附容量、良好的选择性和突出的再生性能。吸附过程符合准二级动力学和Langmuir等温线模型，属于自发的吸热化学吸附过程。密度泛函理论计算从分子水平阐明了金属-配体的结合机制，实验结果与理论计算相互印证。经济评价证明该吸附剂系统具有显著的低成本优势。从科学价值而言，本研究建立了从分子设计、材料制备、性能评价到理论计算和经济分析的完整研究范式，为功能化生物基吸附材料的开发提供了系统的理论依据和实验支持。从应用价值而言，所开发的CMC/PVA-LA35和CMC/PVA-LH35复合材料在海水淡化预处理和重金属污染水体修复方面展现出广阔的应用前景。
研究亮点
本研究的亮点主要体现在以下几个方面：第一，将L-精氨酸和L-组氨酸两种天然氨基酸与3,5-二叔丁基-2-羟基苯甲醛缩合，设计了两种新型席夫碱配体，并通过简便的氢键固定策略将其均匀分散于CMC/PVA基质中，实现了配体功能与聚合物稳定性的协同效应。第二，所制备的复合吸附剂对Cu(II)和Zn(II)的吸附容量显著高于文献报道的大多数席夫碱基吸附剂，且比表面积较纯CMC/PVA提高了约三倍，表明配体的引入显著增加了有效结合位点。第三，通过密度泛函理论计算揭示了不同金属离子与配体间能隙变化的规律，从电子结构层面解释了Cu(II)优于Zn(II)的吸附性能，为后续吸附剂的理性设计提供了理论指导。第四，研究不仅关注吸附性能，还系统评估了材料的再生稳定性、配体浸出行为和经济可行性，体现了面向实际应用的完整研究视角。