响应面法优化MOF5@Fe3 O4 催化剂活化过一硫酸盐降解活性黑5染料的研究

本研究针对纺织印染废水中有毒难降解染料（如活性黑5/RB5）的污染问题，通过负载磁性Fe3 O4 纳米颗粒的金属有机框架（MOF-5）构建高效催化剂MOF5@Fe3 O4 ，结合响应面法（RSM）优化过一硫酸盐（PMS）活化条件。结果表明，在pH=11、催化剂1 g/L、50°C条件下，60分钟内RB5去除率达99.2%，总有机碳（TOC）去除率85.5%，且催化剂可循环使用6次。该研究为碱性印染废水处理提供了新型高效催化技术。

　　

纺织印染行业每年排放大量含染料的废水，其中约11%未经妥善处理直接排入水体。活性黑5（RB5）等偶氮染料不仅造成水体色度污染，其降解产物还可能通过食物链富集，对生态系统和人类健康构成长期威胁。传统物理化学处理方法如吸附、混凝等难以彻底分解这类顽固污染物，而高级氧化工艺（AOPs）因其能产生强氧化性自由基（如SO₄
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和^•
OH）成为研究热点。其中，过一硫酸盐（PMS）因氧化能力强、活化方式多样备受关注，但均相铁催化剂存在易失活、金属离子溶出等问题。

为解决上述挑战，国内研究人员开发了一种新型磁性金属有机框架催化剂MOF-5@Fe₃
O₄
，通过响应面法（RSM）耦合中心复合设计（CCD）优化其活化PMS降解RB5的性能。相关成果发表在《Water Resources and Industry》期刊。

研究采用溶剂热法合成MOF-5@Fe₃
O₄
复合材料，通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征其形貌与结构，利用氮气吸附-脱附测试分析比表面积和孔结构。通过设计六因素三水平的RSM实验，考察pH、温度、催化剂剂量等对RB5降解的影响，并采用乙醇和叔丁醇捕获实验验证自由基种类。此外，通过化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD₅
）和大型溞（Daphnia magna）生物毒性测试评估处理效果。

3.1 催化剂表征
SEM显示MOF-5呈立方体结构，Fe₃
O₄
为立方八面体，复合后形成网状结构。XRD证实复合材料成功保留了MOF-5和Fe₃
O₄
的特征峰。BET测试显示复合材料比表面积达48.2 m²
/g，优于纯Fe₃
O₄
（22.1 m²
/g），有利于污染物吸附。

3.2 参数优化
RSM模型R²
达0.88，表明模型可靠性高。温度（F值=6129.39）和pH（F值=3386.97）是影响RB5降解的最显著因素。最优条件为pH 11、催化剂1 g/L、PMS 5 mM、50°C反应60分钟，此时RB5去除率预测值达92.68%，实验验证值为99.2%。碱性条件下，OH^-
促进PMS分解为SO₄
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和¹
O₂
，而高温（50°C）加速O-O键断裂。

3.3 体系对比
单独PMS或MOF-5@Fe₃
O₄
的RB5去除率分别为29.2%和39.8%，而复合体系达99.2%。MOF-5的有机配体可传递电子促进Fe³⁺
/Fe²⁺
循环，增强PMS活化效率。

3.4 矿化与毒性
处理120分钟后，COD去除率87.93%，BOD₅
/COD从0.36升至0.84，表明废水可生化性显著改善。大型溞实验显示，处理后废水LC₅₀
从7.8 mg/L（96小时）提升至58.5 mg/L，毒性降低86%。

3.5 催化剂稳定性
循环使用6次后，RB5和TOC去除率仅下降4.3%和5.2%，归因于活性位点被中间产物占据及催化剂回收损耗。

3.6 降解机制
自由基捕获实验表明，乙醇（EtOH）和叔丁醇（TBA）使效率分别降至59.3%和44.2%，证实SO₄
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和^•
OH是主要活性物种。KI实验进一步显示，23.9%的去除由催化剂表面键合自由基贡献。

该研究成功构建了高效稳定的磁性MOF基催化剂，为碱性印染废水处理提供了新思路。MOF-5@Fe₃
O₄
通过多重活化路径（碱性环境、电子传递、Fe价态循环）协同提升PMS利用效率，其优异的循环性能和低毒性产物特性具有实际应用潜力。未来研究可探索该催化剂在连续流反应器中的表现及对复合污染物的去除效果。