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氮循環(huán)關(guān)系到生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，也是“能源-食物-水”耦合的重要內(nèi)容。
人類尿液占城市水體積的1%，卻富含70%以上的活性氮，將其進(jìn)行源頭分離即可源頭控制水體中營養(yǎng)素的來源，又可以實現(xiàn)資源的高附加值循環(huán)利用。然而尿液中的尿素與水的氫鍵作用極強，其分離與轉(zhuǎn)化都極具挑戰(zhàn)。
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一體化“轉(zhuǎn)化-捕集-檢測”系統(tǒng)。華東理工供圖
秉持長期以來污染物源頭控制與資源化的理念，近日，華東理工大學(xué)教授楊雪晶與美國阿肯色大學(xué)助理教授郭蕾、加州理工大學(xué)教授William Goddard合作，以水穩(wěn)定的MOF-808為基體，開展精準(zhǔn)多位點后修飾策略，同步實現(xiàn)對生物活性脲酶的固載穩(wěn)定化、草酸后修飾下的高容量銨根離子吸附和銅離子調(diào)控下的氨分子顯色檢測，將尿液中的尿素原位轉(zhuǎn)化為氨氮并吸附回收，形成模塊式可視化尿液資源回收系統(tǒng)。相關(guān)研究成果發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》。
MOF-808是目前水穩(wěn)定性最高的MOF材料之一，因而在水處理領(lǐng)域的極具應(yīng)用潛力。面對氨氮污染源頭控制與資源化的挑戰(zhàn)，研究者采用精準(zhǔn)的后修飾手段，對MOF-808進(jìn)行多重精準(zhǔn)修飾。通過脲酶氨基殘基與羰基形成酰胺鍵共價固載脲酶量高，其對尿素的水解速率與天然脲酶基本可比，穩(wěn)定性則提升3倍以上。
與此同時，研究者通過配位作用將二羧酸分子結(jié)合在MOF骨架上，進(jìn)而增強對銨根離子的靜電吸附作用，其中以草酸為封端的材料體系吸附容量大，吸附速率快、可在1分鐘內(nèi)實現(xiàn)吸附平衡，并可穩(wěn)定脫附再生。
結(jié)合分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，銨根離子與羧酸根形成穩(wěn)定的密堆型離子加合物，其中草酸修飾的MOF-808具有最優(yōu)的孔道修飾且與銨根離子的結(jié)合能最高。更進(jìn)一步地，研究者設(shè)計性引入銅配位結(jié)合在MOF骨架的金屬結(jié)點，使材料可與溶液中游離氨分子發(fā)生顯色反應(yīng)，從而對尿液氮回收中氮元素的轉(zhuǎn)化、吸附、以及再生過程全程進(jìn)行可視化顯示。
該研究不僅進(jìn)一步拓展了MOF材料在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用場景，也為氨氮污染源頭控制和資源回收提供了新穎的、模塊化的解決方案，是污染物源頭處理與資源化利用方面的又一重要成果。
