利用壳聚糖/聚丙烯酰胺/沸石咪唑酯骨架-8纳米复合材料优化环丙沙星吸附：实验设计方法学研究及其环境应用意义

本研究通过实验设计（BBD矩阵）系统优化了环保型壳聚糖/聚丙烯酰胺/ZIF-8纳米复合材料（CPZ）对环丙沙星（CIP）的吸附过程。研究证实吸附剂质量与接触时间是关键影响因素（p<0.05），在最佳条件（CIP浓度55 mg/L、pH=5.8、温度47°C、吸附剂0.72 g/L）下可实现98.4%的吸附率。该吸附符合Langmuir等温模型（Qm=182.3 mg/g）和PSO动力学模型，过程为自发吸热反应（ΔG<0, ΔH>0），为抗生素废水治理提供了高效解决方案。

　　

Highlight

材料

CPZ纳米复合材料的合成所用化学品包括壳聚糖（98%）、乙酸（99%）、丙烯酰胺、过硫酸铵、硝酸锌和2-甲基咪唑（均购自德国Merck公司，分析纯直接使用）。吸附实验使用的环丙沙星（CIP, 99%）及盐类（NaH₂PO₄·H₂O, Na₂SO₄, NaHCO₃, NaNO₃, HCl, NaOH, CaCl₂·2H₂O, MgCl₂·6H₂O, KCl）购自美国Sigma-Aldrich。pH值使用0.1 M HCl和NaOH溶液调节。

Characterization of adsorbent

如图2所示，CP的XRD分析显示在2θ=20.1°处出现壳聚糖特征衍射峰，在35.2°处出现聚丙烯酰胺特征峰。CPZ样品额外出现10.1°和13.2°的特征峰，表明新组分的引入使无定形结构重新有序化。值得注意的是图2a中17-25°的宽峰证实了复合材料中聚合物基质的非晶态特性。通过BET/BJH分析测得CPZ的比表面积为181.2 m2/g，显著高于未改性载体（约90-110 m2/g），证明ZIF-8的成功锚定显著提升了材料的多孔结构。

Conclusion

本研究成功合成的新型CPZ纳米复合材料作为高效环保的吸附剂，对水溶液中环丙沙星的去除表现出优异性能。材料具有高比表面积（181.2 m2/g），根据Langmuir等温模型计算的最大吸附容量达182.3 mg/g，该数值超越多数传统吸附剂。吸附等温线符合Langmuir模型，证实物理吸附占主导地位，而热力学分析表明该过程是自发且吸热的。通过响应面法（RSM）优化获得的最佳操作参数（pH=5.8，吸附剂剂量0.72 g/L，接触时间88分钟）可实现98.4%的去除率。该材料在复杂水基质中保持良好稳定性，为抗生素污染控制提供了有前景的解决方案。