高效去除废水中布洛芬的镍掺杂 ZIF-67 金属有机框架（MOF）：合成、表征及掺杂对吸附性能的影响

为解决废水中布洛芬（IBP）等药物污染物去除难题，研究人员开展 Ni 掺杂 ZIF-67 MOF 合成及 IBP 吸附研究。发现 Ni@ZIF-67-10% B 吸附容量达 225±5 mg/g，优于 ZIF-67，揭示其吸附机制，为废水处理提供新策略。

　　在现代社会，随着 pharmaceuticals 和个人护理产品的广泛使用，新兴有机污染物（EOCs）对水环境的威胁日益凸显。布洛芬（IBP）作为非甾体抗炎药（NSAIDs）的代表，因其在地表水和城市废水中检测浓度高达 36.8 μg/L（远超 1 μg/L 的安全阈值），对人类健康和水生生物构成潜在风险。传统的废水处理方法在去除这类痕量有机污染物时效率有限，因此开发高效、经济的吸附材料成为环境治理领域的迫切需求。

为应对这一挑战，研究人员开展了镍（Ni）掺杂 ZIF-67 金属有机框架（MOF）的合成及其对 IBP 吸附性能的研究。该研究由相关团队完成，成果发表在《Environmental Functional Materials》。研究旨在通过结构调控提升 MOF 的吸附能力，为废水中 IBP 等药物污染物的去除提供新的技术方案。

研究人员采用两种不同方法合成了 ZIF-67 及 Ni 掺杂 ZIF-67（Ni@ZIF-67），并运用多种表征技术（包括 X 射线光电子能谱（XPS）、X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、比表面积及孔隙度分析（BET）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析（TGA/DTG））对材料的物理化学性质进行了系统分析。通过吸附实验，探究了溶液 pH、初始浓度、吸附时间、吸附剂种类及用量等因素对 IBP 去除效果的影响，并深入研究了吸附动力学、等温线及热力学行为。

3.1 表征结果

XRD 分析表明，纯 ZIF-67 具有高度结晶性，特征峰位置与标准图谱一致，证实了其成功合成。Ni 掺杂后，峰强度减弱但晶型保持，表明 Ni 成功嵌入 ZIF-67 框架且未破坏其晶体结构，这归因于 Ni 与 Co 离子半径相近（Ni²⁺ 0.78 ? vs Co²⁺ 0.72 ?）。FTIR 结果显示，ZIF-67 和 Ni@ZIF-67 均存在咪唑环特征振动峰，表明有机配体与金属节点的有效结合。BET 分析显示，Ni@ZIF-67-10% B 的比表面积达 1759 m²/g，孔隙体积 0.72 cm³/g，优于其他样品，高孔隙率为 IBP 吸附提供了丰富位点。SEM 和 TEM 图像显示，ZIF-67 呈菱形十二面体结构，Ni 掺杂后颗粒表面略有损伤但整体形貌保留，表明掺杂过程未显著破坏材料结构。TGA 结果显示，Ni@ZIF-67-10% B 热稳定性优于搅拌法合成的样品，归因于非搅拌法更有利于形成稳定的多孔结构。

3.2 布洛芬吸附研究

3.2.1 溶液 pH 及吸附机制

pH 对吸附效果影响显著，在 pH 2 时吸附容量最大。当溶液 pH 低于材料零电荷点（pH_pzc=6.4）时，吸附剂表面带正电，与质子化 IBP 分子通过静电作用结合；而在碱性条件下，IBP deprotonated 带负电，与吸附剂表面电荷排斥，导致吸附效率下降。吸附机制研究表明，IBP 吸附主要通过静电作用、主客体相互作用和 π-π 堆积作用，高比表面积和孔隙率进一步促进了这些相互作用的发生。

3.2.2 初始浓度与吸附时间的影响

随着 IBP 初始浓度从 5 mg/L 增加至 50 mg/L，Ni@ZIF-67-10% B 的吸附容量逐渐增大，在 50 mg/L 时达最大值，表明高浓度下吸附剂的孔隙和表面位点得到充分利用。吸附动力学研究显示，吸附过程在 90 分钟内达到平衡，伪二级动力学模型（R²=0.98687）能更好地描述吸附行为，表明化学吸附是速率控制步骤。

3.2.3 吸附剂种类与用量的影响

对比不同吸附剂，Ni@ZIF-67-10% B 的吸附容量最高（225±5 mg/g），显著优于纯 ZIF-67（187±5 mg/g），表明 Ni 掺杂有效提升了吸附性能。吸附剂用量实验表明，2 mg 用量时吸附容量最大，过量吸附剂会因颗粒间竞争和孔隙堵塞导致效率下降。

3.2.4 等温线与热力学研究

Langmuir 等温线模型（R²=0.99032）和 Redlich-Peterson 模型（R²=0.99412）能较好拟合吸附数据，表明吸附以单分子层吸附为主，且存在一定的表面异质性。热力学参数显示，吸附过程为放热反应（ΔH^o=-29.14 kJ/mol），自发进行（ΔG^o<0），且温度升高会降低反应的自发性。离子强度实验表明，NaCl 的存在会导致吸附剂聚集，削弱静电作用，从而降低 IBP 去除效率。

3.2.5 吸附剂再生与稳定性

Ni@ZIF-67-10% B 经乙醇再生后，循环使用 5 次仍能保持 72% 的初始吸附容量，表明其具有良好的再生能力和稳定性。金属离子溶出测试显示，Co 和 Ni 的溶出量分别为 0.352 mg/L 和 0.114 mg/L，均低于国家标准限值（1 mg/L），证实了材料的环境安全性。

本研究成功开发了一种高效的 Ni 掺杂 ZIF-67 MOF 用于废水中 IBP 的去除。通过优化合成方法和掺杂比例，Ni@ZIF-67-10% B 展现出高比表面积、丰富孔隙结构和优异的吸附性能，其吸附机制主要涉及静电作用、主客体相互作用和 π-π 堆积作用。该材料在废水处理中具有良好的应用潜力，为解决药物污染物引起的水环境问题提供了新的技术路径。研究结果不仅拓展了 MOF 材料在环境治理中的应用，也为设计高效吸附剂提供了理论和实验依据，有望推动相关领域的技术进步和实际应用。