ZIF-67/GO纳米复合材料高效去除水中溴酸盐的优化机制研究及其在水处理中的应用

本研究针对饮用水消毒副产物溴酸盐(BrO3?)的去除难题，创新性地采用ZIF-67/GO纳米复合材料，通过Box-Behnken设计优化去除条件。研究发现该复合材料在pH=4、投加量1.5 g/L条件下对2 mg/L BrO3?的去除率高达99.6%，其机制主要涉及静电作用和孔隙吸附。该研究为饮用水安全处理提供了新型高效吸附材料和技术方案。

　　

溴酸盐(BrO₃^?)作为臭氧消毒的主要副产物，被国际癌症研究机构列为2B类致癌物，其在饮用水中的浓度限制严苛（<0.01 mg/L）。传统处理方法如活性炭吸附和化学还原存在效率低、二次污染等问题，而生物处理又受环境条件限制。金属有机框架材料(ZIFs)因其可调控的孔隙结构和表面化学性质，成为水处理领域的研究热点，但针对BrO₃^?去除的系统研究仍属空白。

为突破这一技术瓶颈，研究人员首次将沸石咪唑酯骨架材料ZIF-67与石墨烯氧化物(GO)复合，构建了ZIF-67/GO纳米复合材料。通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和热重分析(TGA)等表征技术证实了材料的成功合成，其比表面积达64.1%碳元素含量，钴(Co)活性位点占比7.7%。研究采用Box-Behnken响应面法(RSM)优化了BrO₃^?初始浓度(2-10 mg/L)、pH(4-7)、吸附剂投加量(0.2-1.5 g/L)和接触时间(10-60 min)四个关键参数。

3.1 材料表征
SEM显示ZIF-67呈规则菱形十二面体结构（粒径约500 nm），与GO复合后形成褶皱状异质结构。FT-IR在1720 cm^?1处出现C=O特征峰，XRD谱图在7.3°(011)等晶面显示典型ZIF-67衍射峰。TGA表明材料在500℃以下保持稳定，ZIF-67/GO的zeta电位达+11.9 mV，显著高于ZIF-67的-1.71 mV，这为静电吸附BrO₃^?提供了理论基础。

3.2 去除性能
动力学实验显示ZIF-67/GO在20分钟内即可去除85.35% BrO₃^?，是纯ZIF-67的1.45倍。颗粒内扩散模型表明该过程受液膜扩散主导（K_1d=0.405 mg/(g·min^1/2)），边界层厚度(C₁=0.68)显著增加。

3.3 响应面优化
建立的二次回归模型R²>0.99，ANOVA分析显示吸附剂剂量(p<0.0001)和初始浓度(p=0.002)为最显著因素。3D响应面揭示在pH=4时，1.49 g/L投加量下47分钟接触即可实现97%去除率，预测值与实验值偏差<3%。

3.6 作用机制
通过Zeta电位和FT-IR分析，提出三重作用机制：(1) Co²⁺活性位点与BrO₃^?的配位作用形成Co-O-Br键；(2) GO的含氧官能团（-COOH/-OH）通过氢键捕获阴离子；(3) 材料3.4 nm介孔的尺寸筛分效应。

该研究发表于《Water Science and Engineering》，首次证实ZIF-67/GO对BrO₃^?的协同去除效应，其优化的工艺参数可直接指导水厂深度处理单元设计。未来研究可拓展至其他卤素消毒副产物（如ClO₃^?）的同步去除，并开发再生性能更优的磁性复合材料。