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一种“二合一”方法：从废水中捕获有毒金属并回收稀土元素
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一种“二合一”方法：从废水中捕获有毒金属并回收稀土元素

一种“二合一”方法：从废水中捕获有毒金属并回收稀土元素 稀土产业研究
2026-10-18
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2026年10月6日
作者：Apeksha Srivastava，印度理工学院甘地讷格尔分校（IITGN）
我们通常会把损坏的相机镜头、耳机或无法再维修的旧手机扔掉，因为它们看起来已经没用了。然而，这些物品中含有稀土元素（REEs），它们在磁体、超导、光学和电池等领域有重要应用。当这些物品进入水体后，回收稀土元素就变得困难。
工业活动也会将铅、镉、镍和锰等有毒金属引入同一水体。挑战不再仅仅是如何去除这些有害金属污染物，还包括如何高效回收有价值的稀土元素。
如果有一种策略能同时解决这两个问题呢？为此，印度理工学院甘地讷格尔分校（IITGN）、剑桥大学和伯明翰大学的研究人员开发了一种使用金属-有机框架（MOFs）​这类高孔隙材料的方案。这些材料可以高效地从水中捕获有毒金属，同时从废物流中回收有价值的稀土元素。
该研究发表在《Nature Protocols》上，为在真实条件下设计、表征和应用MOFs进行水处理和循环资源利用提供了框架。

一种智能过滤器

可以把MOF想象成分子级的渔网。它无数的孔隙提供了巨大的捕获表面，而专门设计的化学位点则像钩子一样，可以锁定特定金属。研究人员调整了这张“网”，使其优先捕获目标金属，就像从一桶各种颜色的弹珠中挑出红色和绿色的弹珠一样。
一些MOF的内部表面积可高达每克7000平方米。为了理解这个数字：一克材料看起来只是一小撮粉末，但其内部表面积却相当于整个足球场。
这种巨大的内部表面使MOF成为有吸引力的吸附剂。简单来说，它们在表面捕获物质。虽然传统方法（如沉淀、混凝和絮凝）对水处理有用，但它们通常对pH敏感，最佳去除效果仅限于狭窄范围。这些方法还需要大型基础设施，并产生大量污泥（厚重的泥状废物），需要进一步处理。其他方法如电化学处理则具有较高的经济和环境成本。
吸附提供了一种有效的替代方案：操作简单、适用范围广，在低污染物浓度下也有效。因为它依赖于目标金属与定制表面的亲和力，可以像高选择性过滤器一样去除90%–99%的污染物。基于吸附的方法还避免产生二次污染物，且吸附剂可以再生和重复使用。在这一领域，MOFs因其在捕获和回收金属方面的出色设计灵活性而脱颖而出。

超越实验室

在现实世界中，工业废水（来自制造、采矿和化学加工设施排入水体的废弃物）不仅含有多种金属，还含有农药、洗涤剂和有机污染物等其他污染物。
该方案详细说明了在受控条件下使用MOFs作为吸附剂回收和去除金属的方法，并包括在复杂真实场景中的测试。例如，在碱性（pH约8.5）、浑浊且溶解固体杂质高的废水中评估了去除和回收效果。该方法还在人工海水和电子废物衍生样品中进行了测试。本研究开发的工作流程可应用于类似的吸附剂和其他污染物。
Dhruv Menon（IITGN学士）表示：“对我来说，最有趣的是观察到我们方案中的MOF展现出可观的吸附容量。”
他补充说：“实验显示，一克铜基MOF可以捕获近半克铅（490 mg/g），以及约四分之一克的镉（264 mg/g）和锰（226 mg/g）。对于稀土元素，它可以每克材料捕获约三分之一克（钕351 mg/g、钇343 mg/g、镝335 mg/g、铽337 mg/g、铕345 mg/g）。”Menon目前是剑桥大学化学工程与生物技术系的博士生。

迈向可持续性

Superb Misra教授解释道：“我们需要能够同时解决多个环境挑战的方法。我们的重点是工程化MOFs的性能，将其用于环境修复应用。不过，必须理解受控批次实验无法完全预测复杂废水中的行为。还需要关注大规模制备、成本分析、MOF生命周期评估和监管测试等因素。”Misra是IITGN材料工程系的Jibaben Patel讲席教授，也是生物纳米材料组的首席研究员。
研究团队其他成员包括：Prathmesh Bhadane（IITGN博士；孟买印度理工学院博士后）、Priya Mahato（IITGN博士生）、Prateek Goyal（IITGN博士）、Iseult Lynch博士（伯明翰大学地理、地球与环境科学学院教授）以及Swaroop Chakraborty博士（伯明翰大学NERC研究员）。

发表详情

Dhruv Menon 等人，使用金属-有机框架进行选择性重金属封存和稀土元素回收，《Nature Protocols》（2026）。DOI: 10.1038/s41596-026-01425-y

【声明】内容源于网络
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稀土产业链深度研究报告与资讯。稀土之于我，不只是产业，更是一种恒定的牵引力；我就像那不参与化学反应的 4f 电子，始终在内层轨道守望着它。
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