8-羥基喹啉功能化MOFs材料對(duì)水中重金屬離子的選擇性吸附

8-羥基喹啉（8-HQ）功能化MOFs材料通過(guò)“配位螯合+空間篩分”協(xié)同作用，對(duì)水中重金屬離子（如Cu²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺、Hg²⁺）展現(xiàn)出高選擇性與強(qiáng)吸附能力，吸附容量可達(dá)50~300mg/g，優(yōu)先吸附軟酸型重金屬離子，且重復(fù)使用性優(yōu)異，是高效處理重金屬?gòu)U水的新型吸附材料。

一、功能化改性機(jī)制與吸附位點(diǎn)構(gòu)建

1. 螯合特性

8-羥基喹啉分子含氮原子（吡啶氮）與羥基（-OH），可通過(guò)“N-O”雙齒配位模式與重金屬離子形成穩(wěn)定螯合物（穩(wěn)定常數(shù) K＞10⁵），尤其對(duì)Cu²⁺、Hg²⁺等軟酸離子的配位能力極強(qiáng)，是核心吸附功能基團(tuán)。

2. MOFs材料的載體優(yōu)勢(shì)

MOFs（金屬有機(jī)框架）具有高比表面積（500~3000m²/g）、規(guī)則孔道結(jié)構(gòu)（孔徑0.5~5nm）與豐富活性位點(diǎn)，作為載體可顯著提升8-羥基喹啉的分散性，避免功能基團(tuán)團(tuán)聚，同時(shí)為重金屬離子提供快速擴(kuò)散通道。

3. 功能化改性路徑

后合成改性：將MOFs（如UiO-66、ZIF-8、MIL-101）浸泡于8-羥基喹啉乙醇溶液中，通過(guò) MOFs骨架金屬離子與8-羥基喹啉的配位作用，將功能基團(tuán)錨定于孔道內(nèi)壁或表面，負(fù)載量可達(dá)5%~20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

原位合成改性：將8-羥基喹啉衍生物（如5-氯-8-羥基喹啉）作為有機(jī)配體或輔配體，與金屬離子共組裝直接形成功能化 MOFs，使其均勻分布于骨架結(jié)構(gòu)中，提升吸附穩(wěn)定性。

二、選擇性吸附機(jī)制

1. 配位螯合選擇性

8-羥基喹啉的“N-O”配位位點(diǎn)對(duì)重金屬離子的親和力具有顯著差異：

優(yōu)先吸附：Cu²⁺、Hg²⁺、Pb²⁺（軟酸/交界酸離子），配位作用強(qiáng)，吸附選擇性系數(shù)（對(duì)常見(jiàn)共存離子Ca²⁺、Mg²⁺）可達(dá)10²~10⁴。

弱吸附：Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺（硬酸離子），配位作用微弱，在復(fù)雜廢水體系中幾乎不影響目標(biāo)重金屬吸附。

2. 空間篩分選擇性

MOFs的規(guī)則孔道可通過(guò)孔徑大小篩選重金屬離子：

小孔徑MOFs（如ZIF-8，孔徑～1.1nm）：優(yōu)先吸附半徑小的離子（如Cu²⁺、Cd²⁺），排斥半徑大的團(tuán)聚離子或共存雜質(zhì)。

大孔徑MOFs（如MIL-101，孔徑～2.9nm）：適配大半徑離子（如Pb²⁺、Hg²⁺），同時(shí)保留高比表面積優(yōu)勢(shì)。

3. 靜電作用輔助選擇性

功能化后MOFs表面因8-羥基喹啉的羥基解離帶微弱負(fù)電，可通過(guò)靜電吸引增強(qiáng)對(duì)陽(yáng)離子型重金屬離子的吸附，同時(shí)排斥陰離子雜質(zhì)，進(jìn)一步提升選擇性。

三、關(guān)鍵影響因素與吸附性能優(yōu)化

1. 溶液pH值

適宜pH：5.0~7.0，此時(shí)8-羥基喹啉的羥基充分解離（-O⁻），配位位點(diǎn)充足，吸附容量達(dá)上限值。

pH＜4.0：羥基質(zhì)子化（-OH），配位能力下降，吸附容量顯著降低。

pH＞8.0：重金屬離子易形成氫氧化物沉淀，覆蓋吸附位點(diǎn)，影響吸附效果。

2. 功能基團(tuán)負(fù)載量

負(fù)載量5%~15%：吸附容量隨負(fù)載量增加而顯著提升，功能位點(diǎn)充足且分散均勻。

負(fù)載量＞20%：功能基團(tuán)團(tuán)聚，MOFs孔道堵塞，擴(kuò)散阻力增大，吸附容量反而下降。

3. 共存離子與溫度

共存離子：低濃度（＜10mmol/L）Ca²⁺、Mg²⁺、Cl⁻對(duì)吸附選擇性影響極??；高濃度（＞50 mmol/L）Cl⁻可能與Hg²⁺形成絡(luò)合物，輕微降低吸附容量。

溫度：吸附過(guò)程為放熱反應(yīng)，常溫（25~35℃）即可達(dá)到良好的吸附效果，高溫（＞50℃）會(huì)削弱配位作用，導(dǎo)致吸附容量下降5%~20%。

四、實(shí)際應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與性能表現(xiàn)

1. 吸附容量與速率

吸附容量：對(duì)Cu²⁺ 80~300 mg/g、Hg²⁺ 100~250mg/g、Pb²⁺ 60~200mg/g，遠(yuǎn)高于未功能化MOFs與傳統(tǒng)吸附材料（如活性炭、沸石）。

吸附速率：準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合良好，平衡時(shí)間短（30~120分鐘），歸因于MOFs孔道的快速擴(kuò)散與8-羥基喹啉的強(qiáng)配位作用。

2. 重復(fù)使用性

再生劑：采用0.1~0.5mol/L 鹽酸或硝酸溶液，再生效率可達(dá)85%~95%。

循環(huán)穩(wěn)定性：重復(fù)使用5~10次后，吸附容量?jī)H下降5%~15%，MOFs骨架結(jié)構(gòu)與8-羥基喹啉負(fù)載量保持穩(wěn)定。

3. 復(fù)雜廢水適應(yīng)性

在實(shí)際工業(yè)廢水（如電鍍廢水、礦山廢水）中，對(duì)目標(biāo)重金屬離子的去除率可達(dá)90%~99%，出水濃度符合GB 21900-2008排放標(biāo)準(zhǔn)，且抗干擾能力強(qiáng)。

五、應(yīng)用局限性與改進(jìn)方向

1. 局限性

水穩(wěn)定性：部分MOFs（如MIL系列）在酸性或堿性溶液中易水解，影響長(zhǎng)期使用。

規(guī)?；苽洌汗δ芑男赃^(guò)程復(fù)雜，成本高于傳統(tǒng)吸附材料，規(guī)?；瘧?yīng)用受限。

2. 改進(jìn)方向

增強(qiáng)水穩(wěn)定性：選用UiO-66、ZIF系列等水穩(wěn)定MOFs作為載體，或通過(guò)交聯(lián)改性提升骨架穩(wěn)定性。

簡(jiǎn)化制備工藝：開(kāi)發(fā)一步原位合成法，降低功能化成本，適配工業(yè)化生產(chǎn)。

復(fù)合改性：與石墨烯、碳纖維復(fù)合，提升材料機(jī)械強(qiáng)度與分離效率，便于固液分離回收。

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