可磁回收的Fe3O4-壳聚糖/ZIF-8复合微球：用于从水溶液中去除四环素

摘要

对于被持久性抗生素残留物污染的水体，需要采用先进的处理技术，这些技术既要具备高效去除污染物的能力，又要易于操作和回收。本研究开发了一种可通过磁力回收的复合吸附剂，该吸附剂是通过预先制备的Fe₃O₄纳米颗粒和ZIF-8纳米晶体与工业级壳聚糖进行离子交联共组装而制成的。通过全面的表征（PXRD、FTIR、SEM、BET）证实，这些成分成功整合到了一个具有良好机械稳定性的多孔珠状结构中。工艺优化采用了分层方法：首先通过单变量筛选确定了关键的操作参数，随后利用这些参数设计了多变量Box-Behnken模型。所得到的二阶响应面模型（R² = 0.9930）为与其他机器学习算法（包括支持向量回归（SVR）、人工神经网络和基于树的集成模型）进行了对比提供了基准。SVR模型表现出优异的预测准确性（R² = 0.9994，RMSE = 0.434）和可靠的外推能力（预测R² = 0.9618），从而实现了精确的参数优化。在最佳操作条件下（四环素浓度为10 mg L⁻¹，吸附剂用量为300 mg L⁻¹，吸附时间为135分钟，pH值为8.5），吸附效率达到了74.04%。该复合吸附剂具有出色的重复使用性能，在连续五次吸附-解吸循环后仍能保持超过60%的初始吸附能力，且可通过快速磁分离实现回收。动力学研究表明，吸附过程遵循伪二级动力学模型（R² = 0.991），表明这是一种化学吸附过程，实验测得的最大吸附容量为24.5 mg g⁻¹。通过使用低成本材料、明确的结构-性能关系以及先进的建模框架，本研究提供了一种实用的、可通过磁力分离的吸附系统，用于工程水处理中四环素的靶向去除。