多孔MOFs材料高效去除水中头孢类抗生素的研究

1. 引言

头孢类抗生素广泛应用于医疗和兽医领域，但其在水环境中的残留对生态安全和人体健康构成威胁。吸附法由于其高效、便捷、经济和环境友好等优点，成为去除水中头孢类抗生素的常用方法之一。金属有机框架（MOFs）材料因其高比表面积、可调节的孔道结构和良好的热稳定性，在吸附领域展现出巨大潜力。

2. 研究内容及结果

本研究以头孢类抗生素为研究对象，通过金属掺杂、配体选择及形成复合材料等策略，设计制备了一系列 MOFs 材料，并对其吸附性能及作用机制进行了研究。

(1) 双金属 MOFs 材料的制备及其吸附性能

以结构稳定的 Zr-MOFs UiO-66 为母体，Hf 和 Ti 为外源金属，利用后修饰合成法制备了双金属 M-UiO-66（M = Hf、Ti）MOFs 材料。结果表明，外源金属的掺杂增加了活性位点数目、改变了材料表面电荷分布并改善了孔道结构，从而增强了材料的吸附性能。其中，Hf-UiO-66 对头孢哌酮的最大吸附量可达 346.0 mg g-1，去除效率为 92.5%。

(2) 配体种类对 MOFs 吸附性能的影响

以 Zr 为金属源，分别以 4, 4-联苯二甲酸（BPDC）和内消旋-四(4-羧基苯基)卟吩（TCPP）为有机配体制备了 UiO-67 和 PCN-222，并与以 1, 4-对苯二甲酸（BDC）为配体的 UiO-66 进行比较。研究发现，配体的种类对 MOFs 的孔径大小、比表面积、稳定性以及与目标物之间的相互作用等均有影响，进而影响其对头孢类抗生素的吸附效果。其中，PCN-222 由于其具有 2.9 nm 的介孔结构、且能够与目标物形成较强的 π-π 共轭，对头孢唑肟的最大吸附量可达 UiO-66 的 2.3 倍。

(3) MOFs 基复合膜材料的制备及其吸附性能

为了进一步提高 PCN-222 对头孢类抗生素的去除效果，并克服粉末 MOFs 在回收过程中的不便，以壳聚糖（CS）为基底，乙二醛（GLY）为交联剂，制备了 PCN-222@CS-GLY（PCN@CSG）复合膜材料。该复合膜材料结合了 PCN-222 的高吸附能力和壳聚糖的良好成膜性，对头孢唑肟的吸附量可达 561.7 mg g-1，平衡时间为 60 min。此外，膜状材料易于从溶液中分离，克服了粉末材料回收过程繁杂的缺点，提高了重复使用时的便捷程度。

3. 结论

本研究制备的双金属 M-UiO-66 和 PCN-222@CS-GLY 复合膜材料对头孢类抗生素具有良好的吸附性能，为水环境中头孢类抗生素的高效去除提供了新方法。