Al-Fum MOF对靛蓝胭脂红和橙黄II的吸附机制解析：动力学与等温线研究及其在废水处理中的应用

本研究针对工业废水中有机染料污染问题，通过非溶剂热法合成铝富马酸盐金属有机骨架材料(Al-Fum MOF)，系统研究了其对靛蓝胭脂红(IC)和橙黄II(OII)的吸附性能。研究采用中心复合实验设计优化条件，发现伪二级动力学模型能最佳描述吸附过程，最大吸附量分别达33.8和22.9 mg/g。材料经多次循环仍保持活性，为工业废水处理提供了新型高效吸附剂方案。

　　

随着工业化的快速发展，合成染料污染已成为威胁水生态系统和人类健康的重大环境问题。其中，靛蓝胭脂红(Indigo Carmine, IC)和橙黄II(Orange II, OII)作为两种典型的水溶性工业染料，不仅难以降解，还具有明确的毒性效应：IC可导致高血压、皮肤刺激等病症，OII则会引发肝脏脂质过氧化和红细胞减少。传统的水处理方法对这些染料的去除效率有限，亟需开发新型高效吸附材料。

针对这一挑战，研究人员开展了一项创新性研究，通过非溶剂热法成功合成了一种基于铝富马酸盐的金属有机骨架材料(Al-Fum MOF)。这种材料具有高比表面积(1025.3 m²/g)、可调孔隙结构和优异的稳定性，且合成成本低、毒性小。研究采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)等多种表征技术对材料进行了系统分析，证实其具有纳米级四边形颗粒形貌和典型的MOF晶体结构。

关键技术方法包括：1)采用中心复合实验设计(CCD)优化吸附条件；2)运用伪一级、伪二级、Elovich和颗粒内扩散四种动力学模型分析吸附过程；3)通过Langmuir、Freundlich、Temkin和Dubinin-Radushkevich等温线模型研究吸附机制；4)利用BET法测定材料比表面积和孔隙结构；5)进行多轮吸附-解吸实验评估材料再生性能。

3.1 材料表征结果
XRD分析显示Al-Fum MOF在2θ=10.6°处出现特征峰，与文献报道的MIL-53结构相似。FTIR谱图中596 cm^-1处的吸收峰证实了Al-OH键的存在，1615和1424 cm^-1处的峰则归属于富马酸羧基的不对称和对称伸缩振动。SEM观察显示材料呈60-100 nm的四边形颗粒，存在明显团聚现象。BET测试表明材料具有介孔结构，平均孔径1.83 nm。pH_PZC测定值为4.82，说明材料表面在酸性条件下带正电。

3.2 吸附性能研究
pH影响实验显示，在pH=3时对两种染料吸附量最大(IC:24.1 mg/g; OII:13.3 mg/g)，这与材料表面电荷特性相符。动力学研究表明伪二级模型最能描述吸附过程(IC:χ²=0.175; OII:χ²=0.451)，表明存在化学吸附机制。等温线分析显示Temkin和Dubinin-Radushkevich模型拟合最佳，吸附能分别为12.909和9.128 kJ/mol，证实吸附以物理化学作用为主。

3.3 条件优化
通过响应面法优化得到最佳吸附条件：IC在pH 3、浓度84.7 mg/L、吸附剂用量25 mg时吸附量达33.8 mg/g；OII在pH 3、浓度100 mg/L、吸附剂用量25 mg时吸附量为22.9 mg/g。预测值与实验值误差均小于2%，模型可靠性高。

3.4 再生性能
经过5次吸附-解吸循环后，材料对IC和OII的吸附容量分别保留约30%和20%，表明Al-Fum MOF具有良好的再生潜力。首次使用后吸附量显著下降(IC从32.9降至11.5 mg/g; OII从21.7降至6.1 mg/g)，但后续循环中下降趋缓。

3.5 吸附机制
研究提出了多种可能的吸附相互作用：1)静电吸引：在pH<>_PZC时，带正电的材料表面与染料阴离子基团(-SO₃^-)相互作用；2)配体交换：染料-SO₃^-取代材料表面-OH；3)π-π堆积：染料苯环与材料富马酸配体间的芳香相互作用；4)配位作用：染料杂原子与Al³⁺的配位结合。

这项研究系统阐明了Al-Fum MOF对两种染料的吸附机制，证实其在实际废水处理中的应用潜力。与文献报道的其他吸附剂相比，Al-Fum MOF对IC(33.8 mg/g)和OII(22.9 mg/g)的吸附量处于中等水平，但具有合成简便、成本低、环境友好等优势。研究创新性地采用实验设计方法优化工艺参数，并深入分析了吸附动力学和热力学特性，为开发高效废水处理材料提供了重要参考。未来研究可进一步探索材料在实际复杂废水体系中的表现，以及通过改性提高其吸附性能和循环稳定性。