深圳职业技术大学高静思团队WR:疏水界面工程助力水中痕量2-MIB高效去除

传统吸附材料如粉末活性炭（PAC）在处理痕量异味物质2-甲基异莰醇（2-MIB）时，具有操作简便、适应性广等优点，能通过物理吸附去除水中部分污染物。然而，PAC存在吸附速率慢、易受天然有机物（NOM）干扰、频繁更换导致运行成本高等问题，在复杂水体中的深度净化效率受到显著限制。金属有机框架（MOF）作为一种比表面积高、孔道结构规整、表面化学性质可调的新型多孔材料，在吸附分离领域展现出广阔应用前景。在疏水界面调控方面，MOF不仅可以作为吸附位点提供者，还可以通过表面接枝疏水链构建选择性微域。长链烷基膦酸修饰则是实现MOF疏水改性的常用策略，具有反应条件温和、接枝密度可控等优点。但是，单纯依赖MOF的孔道结构往往难以在复杂水体中实现对痕量目标物的选择性捕获，如何同时提高吸附剂对目标分子的亲和力和抗干扰能力是痕量污染物深度净化的关键问题。另外，对于2-MIB这类中性疏水分子，其与NOM的竞争吸附机制尚不明确，现有研究中往往忽略了对竞争机制的深入解析。因此，本研究以实际水体中痕量2-MIB的高效去除为出发点，构筑了疏水修饰的MIL-53(Al)@C14复合吸附剂，通过疏水界面工程构建选择性吸附微域。结合吸附动力学实验、竞争吸附实验和分子动力学模拟等手段，揭示材料对2-MIB的选择性吸附机制、NOM的干扰机制及传质过程，并将该材料用于实际水库水中2-MIB的深度去除，探究其消减规律及再生性能。

图文导读

疏水界面设计与材料表征

针对传统吸附剂在复杂水体中易受天然有机物（NOM）干扰的问题，研究团队以MIL-53(Al)为基底，通过接枝十四烷基膦酸进行疏水改性，成功制备了MIL-53(Al)@C14复合材料。改性后材料的水接触角由65.9°提升至117.3°，由亲水转变为疏水，同时其晶体骨架和一维孔道结构保持完整。该设计使材料在保留微孔结构的同时，构建了疏水微域，为选择性吸附创造了理想界面。

图1 MIL-53(Al)@C14的材料表征结果

高效吸附效能与抗干扰机制

MIL-53(Al)@C14在纯水和实际水库水中对2-MIB的去除率均超过96%，平衡时间约40分钟，远优于传统粉末活性炭（PAC）。在NOM共存体系中，PAC的吸附效率严重下降，而MIL-53(Al)@C14对腐殖酸、海藻酸钠和牛血清蛋白的吸附量分别仅为8.4、5.2和12.5 mg/g，且与2-MIB抑制率呈正相关，证实干扰主要源于直接位点竞争而非溶液中的相互作用。分子动力学模拟进一步揭示，C14链通过疏水效应、范德华力和氢键协同作用，既排斥亲水性NOM，又加速2-MIB向孔道内传质，从而实现选择性捕获。

图2 MIL-53(Al)与PAC在实际水体中对2-MIB吸附效果对比图

图3 MIL-53(Al)与PAC在不同组合天然有机物水体中吸附效果图

材料稳定性与应用前景

材料在五次再生循环后吸附容量仅损失2.9%，且在不再生条件下连续处理八批次后仍保留约80%的初始容量，展现出良好的可重复使用性和运行稳定性。初步成本分析显示，在“使用三次-再生一次”循环五次的生命周期下，MIL-53(Al)@C14处理每吨水的成本约为1.54元（0.223美元），较PAC的单次使用成本（1.11元，0.16美元）虽略有增加，但考虑其优异的出水水质和循环性能，具备良好的应用潜力。此外，该材料对土臭素、β-环柠檬醛等多种异味物质均表现出广谱去除能力，为复杂异味污染治理提供了新选择。

图4 MIL-53(Al)@C14的再生吸附性能

图5 MIL-53(Al)对多种嗅味物质的吸附性能对比图

小结

这项工作报道了一种疏水界面工程策略的设计思路，并通过接枝长链烷基膦酸成功制备了MIL-53(Al)@C14复合吸附材料，从保留孔道结构、疏水表面构建、抗干扰能力提升及可重复使用性等方面揭示了材料获得高效选择性吸附性能的机制。研究通过吸附动力学实验、竞争吸附实验和分子动力学模拟等手段揭示了材料对2-MIB的选择性吸附机制、天然有机物的干扰机制及传质过程。该工作为基于疏水界面调控的高性能吸附剂设计及其在痕量有机污染物深度净化中的应用提供了可参照的思路。