作为一种经典的水污染控制方式，吸附技术的主流工程应用模式为固定床，即将废水流经由吸附剂填充的固定床层实现净污。该模式操作简便、易于规模化应用，广泛用于水中重金属、（亚）砷酸根、磷酸根、氟离子等无机污染物的深度去除。与实验室研究中常用的静态吸附模式不同，固定床吸附多处于热力学非平衡态，实际水处理性能同时受吸附热力学与动力学控制。然而，现有吸附剂选择性去除无机污染物的模式主要通过形成热力学稳态构型（如多齿络合物），因污染物的材料内扩散过程则主要由“吸附-脱附-再吸附”过程介导的“位点滚动”模式驱动，热力学稳态构型意味着更高的脱附能垒与更低的表面扩散速率，从而限制了固定床水处理的实际工作性能。协同调控吸附剂热力学与动力学特性，对发展高性能固定床吸附技术具有重要意义；但当前吸附材料的研究主要仍关注其热力学特性，鲜见针对固定床的吸附剂热力学/动力学协同调控的相关研究。
课题组长期从事毫纳结构复合材料创制、机理探索与应用研究，围绕水中重金属、含氧酸根（砷、磷、锑）、氟等特征污染物的深度去除，持续开展了系列基础探索、技术开发与工程应用工作，有效推动了纳米材料固定床吸附技术从实验室走向工程应用（Environ. Sci. Technol. 2017, 51, 13363；Adv. Funct. Mater.2020, 30, 1909014；Engineering2023, 23, 149; ZL201910027161.2; ZL202110374731.2; ZL202310700790.3），相关成果在光伏、半导体、电镀、矿冶等行业废水与市政污水深度处理中实现工程示范与推广。近期，课题组成功开发出基于内建电场（Built-in electric field, BEF）的固定床性能协同提升策略，通过毫纳复合材料载体形成BEF与污染物负电中心相互吸引，将污染物的吸附构型锁定在热力学亚稳态，从而实现吸附热力学与动力学性能的协同提升。以纳米水合氧化锆（Hydrous Zirconium Oxide,HZO）吸附亚砷酸盐[As(III)]为例，我们首先将HZO颗粒负载在季铵化聚苯乙烯树脂（PS+）中，制备出具有内建正电场的复合纳米材料HZO@PS+。其中BEF通过静电吸引As(III)带负电的氧原子，在HZO@PS+表面实现了单齿单核构型（Monodentate Mononuclear, MM）的稳定化，有效抑制了亚稳态MM构型向稳态双齿双核构型（Bidentate binuclear, BB）的转变。相较于BB构型（ΔG=−56.79 kJ/mol），MM构型（ΔG=−28.14 kJ/mol）吸附能适中，在保持对污染物高选择性的前提下，提升了吸附位点利用率和平衡吸附容量（Qe）；同时，通过加速脱附过程提升了As(III)的表面扩散速率（Ds）。热力学（Qe）与动力学（Ds）的协同增益使HZO@PS+在固定床中的有效工作容量相较无BEF材料实现数量级提升。该策略可成功拓展至多种金属氧化物对其他含氧酸盐如As(V)、P(V)的吸附体系，证实了BEF调控策略的普适性。这一研究为面向固定床水处理的高性能吸附剂设计开辟了新路径。
上述研究以“Built-in electric field leverages synergistic thermodynamic-kinetic enhancement for superior fixed-bed oxyanion adsorption”为题发表于Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（https://dx.doi.org/10.1073/pnas.2613408123）。南京大学潘丙才教授和张孝林教授为论文通讯作者，课题组2024级博士研究生沈鹏飞为第一作者，硕士研究生张宜东、王怀为共同作者。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及中央高校基本科研业务费的资助。上海同步辐射光源BL14W1线站为样品XAFS测试提供了支持。
图：（A）固定床吸附装置；（B）288-308 K下内建正电场（HZO@PS+）与无内建电场（HZO@PS0）材料的有效As(III)吸附容量（NBV）；（C）308 K下HZO@PS+的循环吸附-脱附容量；（D）基于吸附热力学（Qe）与动力学参数（βk）的NBV预测值（线）与实验值（点）的对比；（E）内建电场策略协同强化热力学与动力学性能并提升固定床工作容量的级联机制示意图