水环境中的微塑料(<5mm的塑料颗粒)污染已成为全球关注的新兴环境问题。传统的过滤和吸附技术仅将微塑料从水中分离,并未将其降解,存在二次污染风险。开发既能高效捕获又能原位降解微塑料的多功能材料,是解决这一难题的前沿方向。ZIF-8是一种经典的金属有机骨架(MOF),其具有规整的微孔、高比表面积和一定的可见光光催化活性。ZIF-8的微孔尺寸(约0.34nm)虽远小于微塑料的尺寸,但其外表面丰富的缺陷位点和Zn-OH基团对微塑料表面氧化后产生的含氧官能团有吸附作用。而多壁碳纳米管(MWCNT)对疏水性的微塑料有很强的π-π和疏水吸附作用。通过将ZIF-8原位生长在Fe₃O₄纳米颗粒修饰的MWCNT上,可以构建一个集吸附富集、光催化降解和磁分离回收于一体的多功能复合材料。
本研究成功合成了具有清晰核壳结构的MWCNT/Fe₃O₄@ZIF-8复合材料。在处理含有微米级聚苯乙烯(PS)微球的模拟废水中,该材料展现了优异的捕获能力,可在30分钟内通过疏水和静电作用将水中90%以上的PS微球吸附到材料表面。随后,在模拟太阳光照射下,ZIF-8壳层被激发,产生具有强氧化能力的活性氧物种(如·O₂⁻和·OH)。这些活性氧物种攻击并氧化了被吸附在表面的PS微球,使其表面出现裂纹和凹坑,C-H键被部分氧化为C=O和O-C=O等含氧官能团。这不仅改变了微塑料的密度和表面电荷,使其更易于被进一步吸附,而且表明了ZIF-8确实对微塑料具有光催化降解活性。经过5次“吸附-光催化-磁分离”循环,该复合材料对PS微球的去除效率保持稳定。该研究为水中微塑料的捕获-原位降解一体化处理提供了创新的多功能材料平台。
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