8-羟基喹啉功能化MOFs材料对水中重金属离子的选择性吸附

8-羟基喹啉（8-HQ）功能化MOFs材料通过“配位螯合+空间筛分”协同作用，对水中重金属离子（如Cu²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺、Hg²⁺）展现出高选择性与强吸附能力，吸附容量可达50~300mg/g，优先吸附软酸型重金属离子，且重复使用性优异，是高效处理重金属废水的新型吸附材料。

一、功能化改性机制与吸附位点构建

1. 螯合特性

8-羟基喹啉分子含氮原子（吡啶氮）与羟基（-OH），可通过“N-O”双齿配位模式与重金属离子形成稳定螯合物（稳定常数 K＞10⁵），尤其对Cu²⁺、Hg²⁺等软酸离子的配位能力极强，是核心吸附功能基团。

2. MOFs材料的载体优势

MOFs（金属有机框架）具有高比表面积（500~3000m²/g）、规则孔道结构（孔径0.5~5nm）与丰富活性位点，作为载体可显著提升8-羟基喹啉的分散性，避免功能基团团聚，同时为重金属离子提供快速扩散通道。

3. 功能化改性路径

后合成改性：将MOFs（如UiO-66、ZIF-8、MIL-101）浸泡于8-羟基喹啉乙醇溶液中，通过 MOFs骨架金属离子与8-羟基喹啉的配位作用，将功能基团锚定于孔道内壁或表面，负载量可达5%~20%（质量分数）。

原位合成改性：将8-羟基喹啉衍生物（如5-氯-8-羟基喹啉）作为有机配体或辅配体，与金属离子共组装直接形成功能化 MOFs，使其均匀分布于骨架结构中，提升吸附稳定性。

二、选择性吸附机制

1. 配位螯合选择性

8-羟基喹啉的“N-O”配位位点对重金属离子的亲和力具有显著差异：

优先吸附：Cu²⁺、Hg²⁺、Pb²⁺（软酸/交界酸离子），配位作用强，吸附选择性系数（对常见共存离子Ca²⁺、Mg²⁺）可达10²~10⁴。

弱吸附：Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺（硬酸离子），配位作用微弱，在复杂废水体系中几乎不影响目标重金属吸附。

2. 空间筛分选择性

MOFs的规则孔道可通过孔径大小筛选重金属离子：

小孔径MOFs（如ZIF-8，孔径～1.1nm）：优先吸附半径小的离子（如Cu²⁺、Cd²⁺），排斥半径大的团聚离子或共存杂质。

大孔径MOFs（如MIL-101，孔径～2.9nm）：适配大半径离子（如Pb²⁺、Hg²⁺），同时保留高比表面积优势。

3. 静电作用辅助选择性

功能化后MOFs表面因8-羟基喹啉的羟基解离带微弱负电，可通过静电吸引增强对阳离子型重金属离子的吸附，同时排斥阴离子杂质，进一步提升选择性。

三、关键影响因素与吸附性能优化

1. 溶液pH值

适宜pH：5.0~7.0，此时8-羟基喹啉的羟基充分解离（-O⁻），配位位点充足，吸附容量达上限值。

pH＜4.0：羟基质子化（-OH），配位能力下降，吸附容量显著降低。

pH＞8.0：重金属离子易形成氢氧化物沉淀，覆盖吸附位点，影响吸附效果。

2. 功能基团负载量

负载量5%~15%：吸附容量随负载量增加而显著提升，功能位点充足且分散均匀。

负载量＞20%：功能基团团聚，MOFs孔道堵塞，扩散阻力增大，吸附容量反而下降。

3. 共存离子与温度

共存离子：低浓度（＜10mmol/L）Ca²⁺、Mg²⁺、Cl⁻对吸附选择性影响极小；高浓度（＞50 mmol/L）Cl⁻可能与Hg²⁺形成络合物，轻微降低吸附容量。

温度：吸附过程为放热反应，常温（25~35℃）即可达到良好的吸附效果，高温（＞50℃）会削弱配位作用，导致吸附容量下降5%~20%。

四、实际应用优势与性能表现

1. 吸附容量与速率

吸附容量：对Cu²⁺ 80~300 mg/g、Hg²⁺ 100~250mg/g、Pb²⁺ 60~200mg/g，远高于未功能化MOFs与传统吸附材料（如活性炭、沸石）。

吸附速率：准二级动力学模型拟合良好，平衡时间短（30~120分钟），归因于MOFs孔道的快速扩散与8-羟基喹啉的强配位作用。

2. 重复使用性

再生剂：采用0.1~0.5mol/L 盐酸或硝酸溶液，再生效率可达85%~95%。

循环稳定性：重复使用5~10次后，吸附容量仅下降5%~15%，MOFs骨架结构与8-羟基喹啉负载量保持稳定。

3. 复杂废水适应性

在实际工业废水（如电镀废水、矿山废水）中，对目标重金属离子的去除率可达90%~99%，出水浓度符合GB 21900-2008排放标准，且抗干扰能力强。

五、应用局限性与改进方向

1. 局限性

水稳定性：部分MOFs（如MIL系列）在酸性或碱性溶液中易水解，影响长期使用。

规模化制备：功能化改性过程复杂，成本高于传统吸附材料，规模化应用受限。

2. 改进方向

增强水稳定性：选用UiO-66、ZIF系列等水稳定MOFs作为载体，或通过交联改性提升骨架稳定性。

简化制备工艺：开发一步原位合成法，降低功能化成本，适配工业化生产。

复合改性：与石墨烯、碳纤维复合，提升材料机械强度与分离效率，便于固液分离回收。

本文来源于黄骅市信诺立兴精细化工股份有限公司官网 http://www.xnlxgroup.com/