药品消费增长尤其是抗生素排放进入废水，对污水处理设施造成显著环境压力。本研究采用超声化学合成法制备新型铈基金属有机框架（Ce-MOF），用于水相中四环素的去除。研究人员利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）及扫描电子显微镜（SEM）对声光催化剂进行表征。采用响应面法（RSM）优化四环素去除条件，考察催化剂投加量、初始四环素浓度、接触时间及pH五个水平。最优去除条件为pH 7、初始四环素浓度145 ppm、催化剂投加量1307 ppm、接触时间111 min，去除效率达89%。合成的Ce-MOF表现出良好的稳定性与持续声光催化活性，为水处理中药物污染控制提供了可行方案。
研究背景与意义
随着制药业发展和抗生素广泛使用，水体中药物残留已成为全球性环境问题。四环素类抗生素因水溶性高、难生物降解及诱导细菌耐药性而备受关注。传统污水处理厂对四环素的去除效率有限，难以实现微污染物完全消除。金属有机框架（Metal–Organic Frameworks, MOFs）因其高比表面积、可调孔径及优异的光催化性能，在环境污染治理领域具有巨大潜力。已有研究多采用有毒溶剂与高温合成MOFs，且大多局限于单一光催化过程，对超声与光催化协同作用（声光催化）的研究较少。本研究针对上述问题，开发了一种室温、低能耗、无有毒溶剂的超声化学合成Ce-MOF方法，并系统优化其在宽pH与高浓度四环素条件下的去除性能，具有重要的实际应用价值。论文发表于《ACS Omega》。
主要技术方法
研究采用超声化学法合成Ce-MOF，以水为溶剂，在室温下完成制备。材料表征使用FTIR、XRD及场发射扫描电镜（FESEM）结合能谱分析（EDX）。四环素去除实验在批式声光催化反应器中进行，紫外光源为UV-A灯，辅以超声浴增强传质与活性自由基生成。采用中心复合设计（Central Composite Design, CCD）结合响应面法进行参数优化，考察初始四环素浓度、催化剂投加量、反应时间与pH的影响。通过自由基捕获实验分析降解机理，并进行六次循环实验评估催化剂稳定性。
研究结果
4.1 表征
FTIR与XRD结果表明，合成的Ce-MOF在反应前后结构保持稳定，pH低于4或高于10会导致结构破坏。FESEM图像显示材料呈团聚粉末状，EDX证实Ce元素均匀分布且成功掺入MOF骨架。
4.2 超声效应
超声辐照通过空化效应增加活性自由基生成，减少颗粒团聚并提高催化剂表面活性位点暴露率，与光催化形成协同效应。
4.3 吸附研究
黑暗条件下超声处理的四环素去除率高于单纯搅拌，表明超声可增强吸附与传质。中性pH下的吸附性能最佳，最大吸附容量可达150 mg/g。
4.4 光降解机理
Ce-MOF带隙能为3.2 eV，在UV照射下产生电子-空穴对。超氧自由基（·O2–）为主要活性物种，羟基自由基（·OH）贡献较小。降解路径包括四环素被活性自由基氧化为中间产物，最终矿化为CO2和H2O。
4.5 实验设计与优化
ANOVA分析显示模型拟合度高（R2=0.9668），预测值与实测值吻合良好。单因素分析表明，过高四环素浓度会因竞争活性位点而降低去除率；催化剂投加量在饱和前随用量增加而提高；延长反应时间可提升效率；pH≈7时去除率最高，极端pH会降低静电吸引并破坏结构。数值优化得到最优条件：pH 7、初始浓度145 ppm、催化剂投加量1307 ppm、时间111 min，预测效率92.24%，验证实验平均为88.7%。三维响应面分析揭示了各参数间的交互作用。
4.6 可见光下的声光催化
在可见光（30 W LED）下，180 min内四环素去除率为68%，表明材料具有一定可见光响应能力。
4.7 稳定性与重复性
六次循环后，Ce-MOF仍保持60%以上的去除率，结构未明显变化。活性下降主要源于超声引起的颗粒团聚与少量Ce浸出，而非骨架崩解，可通过改进清洗方式缓解。
讨论与结论
本研究证明超声化学合成Ce-MOF是一种经济、环保且高效的策略，可在宽pH范围内处理高浓度四环素废水。优化后的声光催化体系兼具高去除率与良好稳定性，优于部分已报道的MOF基催化剂。研究结果为制药废水和城市污水中抗生素污染的治理提供了可行技术方案，未来可进一步拓展至实际废水体系及其他污染物的去除应用。
