本文介绍了一项关于利用3D打印技术制备金属有机框架（MOFs）与聚合物复合材料作为可分离吸附剂，用于去除水溶液中苯砷酸的研究。该研究由Wen-Qing Ding、Lei Xu、Xiao-Ying Li、Ming-Lai Fu和Baoling Yuan等作者共同完成，并于2023年10月10日发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。

研究背景

砷是一种全球关注的有毒元素，因其高毒性和致癌性，长期暴露于砷污染的水中可能导致严重的健康问题。苯砷酸（如对氨基苯砷酸（p-ASA）和洛克沙胂（ROX））是常见的有机砷化合物，广泛用于家禽和畜牧业中作为饲料添加剂。然而，这些化合物在环境中难以降解，且可能转化为更具毒性的无机砷，对环境和人类健康构成威胁。因此，开发一种高效去除苯砷酸的方法具有重要意义。

金属有机框架（MOFs）因其高比表面积、可调节的孔径和良好的化学稳定性，成为一种有潜力的吸附材料。然而，MOFs通常以粉末形式存在，吸附后难以回收，限制了其在水环境中的实际应用。为了解决这一问题，本研究通过3D打印技术将MOFs与海藻酸钠和明胶结合，制备了一种可分离的吸附剂MIL-101@Cage，用于高效去除水中的苯砷酸。

研究流程

研究的主要流程包括以下几个步骤：

1. MIL-101 (Fe)的合成：通过水热法制备MIL-101 (Fe)，并对其进行表征，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析（TG-DTG）等。

2. 3D打印墨水的制备：将MIL-101 (Fe)与海藻酸钠和明胶混合，制备3D打印墨水，并通过3D打印技术制备MIL-101@Cage。

3. 吸附实验：系统研究了MIL-101@Cage对苯砷酸的吸附动力学、吸附等温线、吸附热力学以及循环再生实验。通过Langmuir、Freundlich和Temkin等温线模型拟合吸附数据，探讨了吸附机理。

4. 吸附机理研究：通过FTIR、X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱等手段，进一步研究了MIL-101@Cage与苯砷酸之间的吸附机制，包括π-π堆积、氢键和配位键等相互作用。

主要结果

研究结果表明，3D打印的MIL-101@Cage在25°C下对p-ASA和ROX的最大吸附量分别为106.98 mg/g和120.28 mg/g。MIL-101@Cage在广泛的pH范围内对苯砷酸的去除率保持稳定，并且在多种共存离子存在下仍能保持较高的吸附效率。循环再生实验表明，经过五次循环后，MIL-101@Cage的去除率仍保持在90%以上。

结论与意义

本研究通过3D打印技术成功制备了一种可分离的MIL-101@Cage吸附剂，用于高效去除水中的苯砷酸。该吸附剂不仅保持了MOFs的高吸附性能，还解决了粉末状MOFs难以回收的问题。研究结果为基于MOFs材料的可分离、可回收吸附剂的规模化制备提供了新思路，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

1. 创新性方法：首次将3D打印技术应用于MOFs材料的成型，解决了粉末状MOFs难以回收的问题。
2. 高效吸附性能：MIL-101@Cage对苯砷酸表现出优异的吸附性能，且在广泛的pH范围内保持稳定。
3. 循环再生性能：经过多次循环使用后，吸附剂的去除率仍保持在90%以上，具有良好的再生性能。
4. 吸附机理研究：通过多种表征手段揭示了吸附过程中的π-π堆积、氢键和配位键等相互作用机制。

其他有价值的内容

研究还探讨了不同pH值、共存离子和溶解有机物对吸附性能的影响，进一步验证了MIL-101@Cage在实际水环境中的应用潜力。此外，研究还提供了详细的吸附动力学和热力学数据，为后续研究提供了参考。

总之，本研究为水环境中苯砷酸的高效去除提供了一种新的解决方案，具有重要的环境意义和应用前景。