ZIF-67醋酸盐和硫酸盐在单一及混合染料体系中对DR-23的高效吸附

《Scientific Reports》：Efficient DR-23 adsorption by ZIF-67-acetate and sulfate in single and mixed dye matrices

　　

摘要

像直接红-23（DR-23）这样的有毒物质需要先进的废水处理技术才能有效减轻其对环境的污染。本研究制备了两种ZIF-67变体（醋酸盐和硫酸盐），并研究其吸附DR-23的效能。通过使用不同的钴源配离子，得到了具有不同形态的晶体。在用作吸附剂之前，对ZIF-67-醋酸盐和ZIF-67-硫酸盐进行了全面的表征（XRD、FTIR、FESEM）。在初步测试中，这两种ZIF变体都展现出了极高的吸附效率，去除率可达约99%。进一步实验表明，在pH值小于9的范围内，ZIF-67-醋酸盐的去除率可超过95%，而在pH值为10时则出现显著下降。在最佳和非最佳处理条件下，研究人员对数据进行了动力学模型拟合。在pH值为6.5和9时，计算得到的吸附容量分别为248.79毫克/克和168.73毫克/克，与实验值十分接近；而在较高pH值下，吸附速率常数k₁则低2.1倍。当DR-23浓度在50–200毫克/升范围内时，吸附剂的吸附容量还会进一步增加，尽管此时去除率会下降18%。平衡态研究显示，其最大吸附容量为414.33毫克/克，这说明存在多层、高效的吸附现象。有趣的是，在混合染料体系——阴离子-阴离子（DR-23和酒石黄）以及阴离子-阳离子（DR-23和孔雀石绿-MG）中，ZIF-67-醋酸盐对DR-23仍表现出较强的亲和力。此外，在实际废水环境中，该吸附剂也能保持超过90%的高去除效率。约5-5.9千焦/摩尔的负ΔG°值以及正ΔH°值表明，DR-23的吸附过程是自发的且属于吸热反应。ZIF-67-醋酸盐具有良好的重复使用性，这为其在实际处理系统中的应用带来了希望。从机制上看，DR-23在ZIF-67变体表面的吸附是由静电作用、π–π堆叠、配位相互作用以及氢键共同作用实现的，因此在合成水体系和实际废水体系中，这一吸附过程都是自发、吸热且高效的。