通过将石膏废弃物与（镍/铁）-BTC框架结合，将其转化为具有价值的吸附剂：成分分析、性能解释及其在液体燃料净化中的脱硫效果

时间：2026年1月31日

来源：Surfaces and Interfaces

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石膏改性为高效吸附剂用于燃油脱硫，合成镍和铁负载的BTC-MOF@石膏复合材料，铁基材料吸附苯并噻吩达757.649 mg·g⁻¹，优于镍基，同时处理噻吩效率也显著提升，验证了MOF复合材料的优势。

沙特阿拉伯贾赞大学科学学院化学系，物理科学系，邮政信箱114，贾赞45142

摘要

石膏是一种廉价且广泛使用的建筑材料（例如用于墙体隔断和作为水泥缓凝剂），通过对其进行功能化处理，可以开发出高性能的吸附剂。本研究提出了一种将常见的低成本石膏（一种普遍使用的建筑材料）升级为高效液体燃料净化吸附剂的方法。通过将苯-1,3,5-三羧酸金属有机框架（BTC MOF）与镍（II）或铁（III）结合，合成了两种新材料（Ni-BTC@Gypsum和Fe-BTC@Gypsum）。这些复合材料被用于去除有害的硫化合物（噻吩和苯并噻吩），这些化合物会导致发动机腐蚀和积碳。吸附过程遵循朗缪尔等温线和准二级动力学，结果表明，MOF的引入显著提高了硫化合物的去除速率。Fe-BTC@Gypsum和Ni-BTC@Gypsum的最大苯并噻吩吸附量分别为757.649 mg.g^-1和515.698 mg.g^-1；而最大噻吩吸附量分别为362.245 mg.g^-1和266.878 mg.g^-1，这证实了Fe-BTC@Gypsum在吸附硫化合物方面的优越性。这一创新工艺不仅创造了一种强大的燃料净化工具，还为石膏废弃物提供了可行的高价值应用途径。

引言

能源是人类活动中的一个恒定因素，它始终影响着我们生产商品、生活方式以及推动社会变革的方式[1]。一个国家的社会和经济进步在很大程度上取决于能源的获取难度、价格以及其使用方式[[2], [3], [4], [5], [6], [7]]。尽管新能源技术发展迅速，化石燃料（如天然气、石油和柴油）仍然是全球能源的主要来源。目前，这些燃料的消耗量正在增加，尤其是在发展中国家[8]。硫化合物在有机合成、煤化学和石化工业等过程中被广泛使用[[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]]。随着工业化的加速，硫化合物造成的污染问题日益严重，成为全球环境污染研究的关键问题[[16], [17], [18], [19], [20], [21], [22]]。燃料中的硫化合物会严重损害发动机并污染环境。这些化合物会加速发动机磨损，并在燃烧过程中释放SOx，进而破坏废气净化催化剂，加剧污染和环境破坏[2,23]。低品质的化石燃料含有多种含硫杂质，如硫醇、硫化氢、噻吩和二苯并噻吩及其衍生物[24]。化石燃料的使用带来了诸多问题，主要包括设备腐蚀、催化剂失活和产品质量下降，这些都是由于其中含有硫成分[25]。鉴于日益紧迫的环境问题，越来越多的国家正在实施更严格的法规，以限制柴油、汽油和其他化石燃料中有机硫化物的浓度[26]。在化石燃料使用前去除其中的硫化物至关重要。这种脱硫过程对于经济可行性、环境保护和公共健康都至关重要，有助于化石燃料行业满足不断变化的社会和监管要求[27]。吸附脱硫被认为是消除含硫分子的最有效方法之一。该方法通常使用具有多样孔结构和功能的固体吸附剂，以实现对最大吸附量的优化[28,29]。吸附剂的类型对任何吸附方法都至关重要，其结构特性（如表面积、孔径和孔体积）以及化学特性对于理解和评估整个去除过程和效果至关重要[30,31]。本文总结了用于化石燃料脱硫的技术，重点介绍了吸附脱硫吸附剂的最新进展，包括合成方案、吸附热力学/动力学以及脱硫效率。近年来，金属氧化物[[32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42]]、沸石[43]、MOFs[[44], [45], [46]]和碳材料[47]是研究最广泛的去除硫化合物的材料。金属有机框架（MOFs）是一种具有内部孔网络的固态有序结构，通过将金属中心与有机分子（配体）连接而成[2,16,[48], [49], [50], [51], [52], [53], [54], [55], [56], [57]]。过去十年中，全球研究人员对MOFs作为吸附剂的潜力表现出越来越大的兴趣，这主要归因于它们的独特优势，如大孔体积、高表面积、多种拓扑结构以及通过可定制的晶体结构实现的可调节表面化学和孔径[[58], [59], [60], [61], [62], [63], [64], [65], [66]]。基于MOFs的材料（包括纯MOFs、MOF复合材料和MOF衍生材料）被广泛用于从液态烃燃料中吸附含硫分子[67,68]。通过改变构建过程中使用的金属离子和有机配体，可以定制MOFs以实现特定目标，从而精确调节其功能特性，例如创建可用的金属位点、调节酸碱性或控制孔径[[69], [70], [71], [72], [73], [74], [75], [76]]。由于这些特性，MOFs在含硫分子吸附方面显示出巨大的潜力。

与其他金属有机框架相比，BTC-MOFs因其在化学组成上的高稳定性、生物相容性和合成简便性等独特组合特性而受到关注[77]。由于其固有的特性，BTC-MOFs适用于多种应用，显示出作为去除有害污染物的吸附剂的巨大潜力[78]。它们的高孔隙率和可修饰表面有助于通过静电作用、配体结合和π-π相互作用等机制实现有效吸附。最近的研究重点在于如何利用BTC-MOFs的结构和化学分析来提高其吸附效率和选择性[45,79,80]。研究表明，简单的调整（如添加功能基团或建立层次结构）可以显著提高其捕获污染物的效率和速度[1,46]。关于使用空MOF材料从液态烃燃料中吸附含硫分子的研究尚未发表[81]。虽然单金属MOFs受到基本结构的限制，导致吸附位点有限，从而吸附效率较低，但MOF复合材料具有明显优势，因为它们包含了额外的活性金属位点[82]。Ni-BTC和Fe-BTC的高吸附潜力源于其独特的结构特征：较大的表面积、可调的孔径以及多模态（物理和化学）相互作用的活性中心。这些特性提高了渗透性，并为更有效的选择性污染物去除创造了更多位点。本研究的主要目标是利用硫酸钙废弃物（石膏）来合成BTC-MOFs@Gypsum混合复合材料。通过将高性能的BTC-MOFs与石膏混合，这种复合材料被设计用于在液态烃燃料的脱硫过程中实现高效的含硫分子吸附。

M-BTC@Gypsum的制备

从沙特阿拉伯的建筑废弃物中收集的石膏经过一系列机械和化学处理进行提纯。通过筛网过滤和磁分离去除大块碎片和磁性金属后，将材料研磨成细粉。然后使用绝对乙醇和石油醚交替洗涤（每200毫升溶剂使用10克粉末），每次洗涤持续30分钟，重复五次，以确保最终石膏的纯度最高。

所制备的M-BTC@Gypsum的描述

M-BTC@Gypsum的形态特征主要体现在表面积和反应性的变化上，这些变化进而影响吸附亲和力，因为几何结构被认为取决于金属来源和合成方法。使用SEM和EDX研究了未经处理和改性的复合材料Ni-BTC@Gypsum和Fe-BTC@Gypsum表面的形态特征。研究结果表明，Ni-BTC和Fe-BTC在原位整合到了石膏分子中（图1）。

结论

本研究旨在通过开发新型MOF-石膏复合材料来解决液体燃料脱硫的需求。该项目合成了Ni-BTC@Gypsum和Fe-BTC@Gypsum，并测试了它们去除硫污染物（噻吩和苯并噻吩）的效果。Fe-BTC@Gypsum复合材料表现出更强的吸附能力，苯并噻吩的最大吸附量为757.649 mg.g^-1，而噻吩为362.245 mg.g^-1。关键成果是成功制备了这种复合材料。

资金支持

本研究由沙特阿拉伯Umm Al-Qura大学资助，资助编号为：(26UQU4350527GSSR01)

数据和材料的获取

所有相关数据均包含在论文中，可根据请求向相应作者获取。

作者贡献声明

Reem Ghubayra：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、资源收集、数据分析。Mashael M. Alharbi：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、方法论设计、数据分析。Ameerah M. Theqah：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、方法论设计、数据管理。Halimah Alahmari：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、方法论设计、数据分析。Amani Alhifthi：撰写 – 审稿与编辑