用于水净化的分层超微孔铝基金属有机气凝胶：双氯芬酸吸附的动力学、等温及再生特性研究

《Water Research》：Hierarchical Ultra Microporous Aluminum Based Metal Organic Aerogels for Water Purification: Kinetic, Isotherm, and Regeneration Insights into Diclofenac Adsorption

本研究通过溶胶-凝胶法合成铝基金属有机气凝胶（Al-MOAs），其高比表面积（1702.5 m2/g）和微孔结构使其对双氯芬酸（DCF）表现出优异的吸附性能，最大吸附容量达416 mg/g（pH 3），吸附过程为自发、放热，涉及静电作用、氢键及π-π堆积作用。Al-MOAs在四次吸附-再生循环后仍保持85%以上的吸附效率，展现出良好的稳定性和可重复使用性，为废水处理提供可持续解决方案。

　　随着全球医疗需求的增加，药物在环境中的广泛使用导致其在水体中的持续存在，这不仅对生态系统构成威胁，还可能对人类健康产生潜在影响。其中，双氯芬酸（Diclofenac, DCF）作为一种非甾体抗炎药（NSAID），因其在地表水、地下水甚至饮用水中的频繁检测而成为一种重要的环境污染物。尤其是在新冠疫情期间，DCF的使用量显著上升，进一步加剧了污水中药物污染的严重性。全球DCF的年消耗量约为1,450吨，其中亚洲地区占到了39.5%。这些药物通过医院和家庭废水排放进入环境，传统污水处理厂对这类微污染物的去除效率仅为60%，因此大量DCF残留在未经处理的废水中，带来生态毒性和健康风险。为了解决这一问题，研究者们探索了多种修复技术，如高级氧化工艺（AOPs）、生物降解、人工湿地和光催化等。然而，这些方法在实际应用中存在一定的局限性，如成本高、操作复杂或难以回收利用。

在此背景下，吸附技术因其操作简便、成本低廉、高效且不产生有毒副产物而受到广泛关注。然而，传统吸附材料如活性炭、金属氧化物和基于石墨烯的纳米材料在吸附容量、再利用性和合成复杂性方面存在不足。因此，近年来研究者将目光转向了金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs），这类材料以其高比表面积和可调节的化学功能而著称。然而，MOFs在粉末形式下常面临团聚、难以回收和有限再利用的问题，限制了其在实际应用中的推广。基于此，研究者们开发了一种新型的铝基金属有机气凝胶（Aluminum-based Metal Organic Aerogels, Al-MOAs），通过改进的溶胶-凝胶法合成，并评估其在DCF去除中的吸附性能。

Al-MOAs具有高微孔率、高比表面积（1702.5 m2/g）和优异的机械稳定性，这些特性使其在DCF去除过程中表现出快速的吸附动力学和较高的吸附容量。在pH 3条件下，其最大吸附容量达到416 mg/g。吸附过程被证实为自发且放热，涉及多种相互作用，包括静电作用、氢键和π-π堆积，这些机制共同促进了DCF的高效去除。此外，Al-MOAs在四次连续的吸附-解吸循环中表现出良好的稳定性与再利用性，其结构完整性得以保持，这在传统MOFs中较为罕见。这种材料被认为是去除液相中药品污染物的高效吸附剂，并为废水处理提供了一种可持续的解决方案。

为了全面评估Al-MOAs的吸附性能，研究团队进行了多种实验，包括不同吸附剂剂量、DCF浓度、温度和pH条件下的吸附实验。结果显示，随着吸附剂剂量的增加，DCF的去除效率提升，但单位质量的吸附容量下降。这可能与吸附位点的饱和、分子间相互作用的增强以及更高效的传质过程有关。同时，随着DCF浓度的增加，吸附容量显著上升，而去除效率则保持稳定。这表明，在高浓度条件下，Al-MOAs的吸附性能更加优越，其高比表面积和丰富的活性位点有助于DCF的深入吸附。

在温度影响方面，实验发现随着温度的升高，DCF的去除效率和吸附容量均有所下降。这可能是由于分子运动加快，导致DCF分子之间的竞争加剧，从而影响了其在吸附剂表面的结合能力。然而，Al-MOAs在常温下的表现尤为突出，其在25°C时达到了81.8%的去除率，这表明该材料在实际应用中具有良好的适应性。此外，研究还评估了Al-MOAs在不同pH条件下的表现，发现其在pH 3至pH 11范围内均能有效去除DCF，且在pH 3至pH 7之间吸附容量保持稳定。这可能是由于Al-MOAs表面富含酸性基团，能够通过表面络合反应调节pH，从而增强其对DCF的吸附能力。

为了进一步理解Al-MOAs的吸附机制，研究团队采用多种模型对吸附动力学和等温吸附行为进行了分析。其中，伪二级动力学模型与Freundlich等温模型表现出较高的拟合度，表明DCF的吸附过程主要为多层吸附，并且吸附行为更倾向于物理吸附。此外，研究还探讨了吸附过程中可能的相互作用机制，如氢键、静电作用、π-π堆积以及可能的疏水作用。这些相互作用共同作用，使得Al-MOAs在DCF去除中表现出卓越的性能。

Al-MOAs的吸附性能不仅体现在其高容量和快速动力学上，还体现在其良好的再利用性上。经过四次吸附-解吸循环后，其去除效率仍能维持在85%以上，这表明其在实际应用中具有较大的潜力。此外，Al-MOAs的结构特性，如多孔性、高比表面积和良好的机械稳定性，使其在实际污水处理中表现出色。相比于传统MOFs，Al-MOAs在保持结构完整性的同时，还具有更简便的合成方法和更高的可回收性，这为其在废水处理中的应用提供了便利。

在与其他吸附材料的比较中，Al-MOAs表现出显著的优势。例如，与UiO-66和MIL-100-Fe等传统MOFs相比，Al-MOAs的吸附容量更高，且其在多种反应条件下均能保持较高的去除效率。此外，Al-MOAs的合成方法更为环保，且其结构特性允许其在不同的pH和温度条件下灵活适应。这些特性使得Al-MOAs成为一种极具潜力的吸附材料，尤其适用于去除水中的药物污染物。

尽管Al-MOAs在实验室条件下表现出优异的吸附性能，但其在实际废水处理中的应用仍需进一步研究。例如，需要评估其在大规模处理中的可行性，以及在长期使用中是否会出现结构破坏或铝离子的泄漏。此外，还需要对Al-MOAs在复杂水体中的表现进行验证，以确保其在实际环境中的稳定性与有效性。尽管目前的研究结果令人鼓舞，但这些方面的探索对于推动Al-MOAs在环境治理中的实际应用至关重要。

综上所述，Al-MOAs作为一种新型的吸附材料，在DCF去除方面展现出显著的优势。其高比表面积、优异的机械稳定性、良好的再利用性以及对多种吸附条件的适应能力，使其成为去除水体中药品污染物的有力工具。未来的研究应进一步优化其合成方法，提高其在实际废水处理中的稳定性，并探索其在更广泛污染物去除中的应用潜力。此外，还需要评估其在工业和市政污水处理中的可行性，以实现其在环境治理中的规模化应用。通过这些努力，Al-MOAs有望成为一种高效、环保且可持续的吸附材料，为解决水体中的药物污染问题提供新的思路和解决方案。