新型 MOFs 材料在化工废水重金属离子吸附中的应用研究

一、引言

化工行业在推动经济发展的同时，产生了大量含有重金属离子的废水。这些重金属离子如铅（Pb）、汞（Hg）、镉（Cd）、铬（Cr）等，具有毒性强、难降解、易在生物体内富集等特点，严重威胁生态环境和人类健康。传统的化工废水重金属离子处理方法，如化学沉淀法、离子交换法、膜分离法等，存在成本高、效率低、易产生二次污染等问题，难以满足日益严格的环保要求。因此，开发高效、环保的新型吸附材料迫在眉睫。金属有机框架（MOFs）材料作为一种新兴的多孔材料，近年来在废水处理领域受到广泛关注。

二、MOFs 材料的结构特点与性能优势

2.1 结构特点

MOFs 材料是由金属离子或金属簇与有机配体通过自组装过程形成的具有周期性网络结构的晶态多孔材料。其结构中，金属离子或金属簇作为节点，有机配体作为连接桥，构建出丰富多样的三维空间结构。这些结构具有高度的有序性和可设计性，通过选择不同的金属离子和有机配体，以及调控合成条件，可以精确控制 MOFs 材料的孔径大小、孔形状和孔结构。例如，常见的 MOFs 材料 UiO-66，其结构由锆离子（Zr）与对苯二甲酸配体组成，具有八面体的孔结构，孔径约为 0.6-1.2 纳米；MIL-101 具有超大的孔道结构，孔径可达 3.4 纳米。

2.2 性能优势

2.2.1 高比表面积

MOFs 材料具有极高的比表面积，一般可达到 1000-6000m²/g ，甚至更高。如此大的比表面积为重金属离子的吸附提供了丰富的活性位点，能够显著提高吸附容量。例如，HKUST-1 的比表面积可达 1800m²/g ，在对铜离子（ ⋅Cu²⁺ ）的吸附实验中表现出优异的吸附性能。

2.2.2 可调节的孔径

MOFs 材料的孔径可在微孔（ ^<2 纳米）、介孔（2-50 纳米）甚至大孔（ 550 纳米）范围内进行调节，能够根据不同重金属离子的尺寸大小，选择合适孔径的 MOFs 材料，实现对特定重金属离子的高效吸附。比如，对于半径较小的重金属离子如汞离子（ (Hg²⁺ ），可选用孔径较小的 MOFs 材料；而对于半径较大的离子如铅离子（ (Pb^2* ），则可选择孔径较大的 MOFs 材料。

三、MOFs 材料在化工废水重金属离子吸附中的应用

3.1 吸附效果

众多研究表明，MOFs 材料对化工废水中常见的重金属离子具有优异的吸附效果。在对含铅废水的处理中，将合成的氨基功能化 MOFs 材料（ Δ(NH₂ -MIL-101（Fe））用于吸附 Pb²⁺ ，实验结果显示，在初始浓度为 100mg/L 的含铅废水体系中，吸附平衡时间为 60 分钟，最大吸附量可达 450mg/g ，远远高于传统吸附材料活性炭的吸附量（约 100mg/g ）。在处理含汞废水时，使用巯基功能化的 MOFs 材料（UiO-66- (SH)₂ ₂），对 Hg²⁺ 的吸附容量高达 977.5mg/g ，且在多种干扰离子存在的情况下，仍能保持对 Hg²⁺ 的高选择性吸附。此外，对于含镉、含铬等其他重金属废水，MOFs 材料也表现出良好的吸附性能，能够有效降低废水中重金属离子的浓度，使其达到排放标准。

3.2 吸附机理

3.2.1 配位作用

MOFs 材料中的金属离子或金属簇以及表面官能团可与重金属离子形成配位键。在cu -MOFs 对铜离子的吸附过程中，材料中的铜离子与废水中的铜离子通过配体桥连形成新的配位结构，实现对铜离子的吸附。

3.2.2 静电作用

MOFs 材料表面带有一定的电荷，当与带相反电荷的重金属离子接触时，会发生静电吸引作用。在酸性条件下，某些 MOFs 材料表面质子化带正电，能够有效吸附带负电的重金属离子络合物，如 Cr₂ ₂O₇ ²⁻ 等。

3.2.3 离子交换

MOFs 材料孔道中的可交换离子与重金属离子发生离子交换反应，从而将重金属离子吸附到材料内部。例如， ΔNa⁺ 型 MOFs 材料在与含 Ca²⁺ 废水接触时，材料中的Na⁺ 与 Ca²⁺ 发生交换， Ca²⁺ 被吸附到 MOFs 材料孔道中。

3.2.4 物理吸附

基于 MOFs 材料巨大的比表面积和多孔结构，重金属离子可通过范德华力等物理作用被吸附在材料表面和孔道内。这种物理吸附作用在低浓度重金属离子吸附过程中也起到重要作用。

四、研究现状与挑战

目前，关于 MOFs 材料在化工废水重金属离子吸附方面的研究已取得了众多成果，从材料的合成、性能优化到吸附机理的探究都有深入进展。但在实际应用中仍面临一些挑战。

4.1 合成成本较高

MOFs 材料的合成通常需要使用昂贵的金属盐和有机配体，且合成过程较为复杂，对反应条件要求苛刻，导致合成成本较高，限制了其大规模应用。

4.2 稳定性有待提高

尽管部分 MOFs 材料具有良好的化学稳定性，但在实际化工废水复杂的化学环境中，仍有一些 MOFs 材料会出现结构降解、性能下降的问题。特别是在高盐度、强酸碱等极端条件下，MOFs 材料的稳定性面临更大挑战。

4.3 回收与再生困难

MOFs 材料在吸附重金属离子后，如何高效回收并再生，以实现循环利用，是实际应用中的关键问题。目前常用的回收方法如高温煅烧、化学洗脱等，可能会对 MOFs 材料的结构造成破坏，影响其再生后的吸附性能。

4.4 实际废水体系复杂

化工废水成分复杂，除了重金属离子外，还含有大量的有机物、悬浮物、其他无机离子等，这些成分可能会对 MOFs 材料的吸附性能产生干扰，甚至导致材料中毒失活，增加了 MOFs 材料在实际应用中的难度。

五、结论

新型 MOFs 材料凭借其独特的结构特点和优异的性能优势，在化工废水重金属离子吸附领域展现出巨大的应用潜力。通过大量的实验研究，已证实 MOFs 材料对多种重金属离子具有良好的吸附效果，且吸附机理多样。然而，目前 MOFs 材料在实际应用中仍面临一些挑战，需要进一步开展研究工作。未来，随着低成本合成策略、稳定性提升技术、回收与再生技术的不断发展以及针对实际废水的材料设计优化，MOFs 材料有望在化工废水重金属污染治理中发挥更大的作用，为解决环境问题提供强有力的支持。

参考文献:

[1]沈燕琼,李启彭. MOFs 功能材料在重金属废水处理中的应用研究[J]. 广东化工,2021,48(12):134-135.

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