用于增强诺氟沙星去除效果的柔性MIL-53(Al)/生物炭复合材料：协同效应与吸附机制

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Flexible MIL-53(Al)/Biochar composite for enhanced norfloxacin Removal: Synergistic effects and adsorption mechanisms

诺氟沙星吸附：MIL-53(Al)/竹炭复合材料通过整合柔性"酒架"骨架与氧官能化介孔竹炭基质，形成高比表面积（806 m2/g）和微-介孔协同结构，实现吸附容量357 mg/g，超越传统吸附剂。其优势源于多机制协同吸附（静电吸引、氢键、π-π作用及孔填塞效应），兼具低成本、可持续性和环境适应性，为抗生素废水处理提供新方案。

　　在现代水环境中，抗生素污染物的存在对生态系统和人类健康构成了严重威胁。这些污染物因其持久性、生物累积性和促进抗菌耐药性（AMR）的发展而受到广泛关注。特别是，诺氟沙星（NRFX）作为一种广谱氟喹诺酮类抗生素，广泛应用于人类和兽医医学中，因其治疗效果好且毒性较低。然而，NRFX在水体中的高溶解性和化学稳定性使其难以通过传统的生物和物理处理方法有效去除。因此，开发高效的去除技术，以应对这些污染物带来的挑战，成为环境工程领域的重要研究方向。

为了应对这一问题，研究人员提出了一种新型的吸附材料——MIL-53(Al)/生物炭复合材料。该材料通过将MIL-53(Al)的柔性“酒架”结构与竹子衍生生物炭的氧功能化、介孔碳基质相结合，从而实现了更高的吸附性能。这种复合材料不仅具有较大的比表面积（806平方米/克）和介孔结构，还能够有效促进吸附剂的分散和吸附效率。实验结果表明，在最优条件下（NRFX浓度为20毫克/升，吸附剂量为40毫克/升，温度为30摄氏度，接触时间为120分钟），该复合材料的吸附容量达到了357毫克/克，显著高于大多数已报道的抗生素吸附材料（通常低于250毫克/克）。

MIL-53(Al)作为一种金属有机框架（MOF），因其高比表面积、可调的孔结构以及优异的化学和热稳定性而受到关注。其独特的“酒架”结构赋予了其结构上的灵活性，使得其孔隙能够根据目标污染物的特性进行可逆的扩张或收缩。这种动态行为提高了活性位点的可及性，从而有助于吸附较大分子量的有机污染物，如NRFX。相比之下，传统的MOF材料如MIL-101、UiO-66和ZIF-8由于其结构较为刚性，孔隙结构固定，因此在处理大分子污染物时表现出一定的局限性。此外，原始MOF材料的大规模应用仍面临较高的合成成本、有限的水稳定性以及回收和再利用的困难。

为了克服这些限制，将MOF与生物炭进行复合成为一种具有前景的方法。这种方法结合了MOF的结构可调性和吸附亲和力，以及生物炭的可持续性、分级孔结构和丰富的表面化学特性。生物炭作为一种来源于生物质热解的环保型碳材料，具有低成本生产、高孔隙率、丰富的表面官能团以及良好的环境兼容性。通过将生物炭引入MOF材料中，不仅增强了MOF的机械和化学稳定性，还通过引入额外的介孔通道和含氧官能团提高了整体的吸附效率。这种复合材料的合成策略为提升吸附性能和推动材料可持续性提供了一条协同路径。

在本研究中，通过原位水热法合成了一种新型的MIL-53(Al)/生物炭复合材料，并对其进行了系统的表征和性能测试。该复合材料的结构设计使其能够有效提升对NRFX的吸附能力，同时具备快速的吸附动力学和增强的结构稳定性。实验结果表明，该材料的比表面积达到了806平方米/克，孔体积增加，形成了分级的微-介孔网络，这为NRFX的高效去除提供了有利条件。通过批量吸附实验，研究人员进一步探讨了NRFX吸附的潜在机制，包括静电吸引、氢键作用、π-π相互作用和孔隙填充效应。这些机制的协同作用使得该复合材料在吸附NRFX时表现出优异的性能。

此外，本研究还分析了关键操作参数对吸附性能的影响，包括温度、吸附剂量、NRFX浓度和接触时间。通过系统的实验设计，研究人员发现，在适宜的条件下，吸附性能显著提高，且材料表现出良好的稳定性。这些发现不仅为NRFX的去除提供了新的思路，也为其他抗生素污染物的处理提供了借鉴。研究结果表明，MIL-53(Al)/生物炭复合材料具有成本效益、可持续性和高性能的特点，有望在实际环境中用于去除抗生素污染的废水。

综上所述，本研究通过合成和表征一种新型的MIL-53(Al)/生物炭复合材料，为抗生素污染的去除提供了一种高效且可持续的解决方案。该材料的结构设计和性能表现不仅克服了传统吸附材料的不足，还为未来的环境治理技术提供了新的方向。通过深入探讨吸附机制和影响因素，研究人员进一步验证了该材料在实际应用中的可行性。随着对环境污染问题的关注不断加深，开发和应用高效的吸附材料将成为解决抗生素污染的重要手段。