共价有机框架包覆氧化铝用于循环水产养殖系统中土臭素的去除研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Covalent Organic Framework-Coated Alumina for the Removal of Geosmin from Water in Recirculating Aquaculture Systems

　　本研究针对循环水产养殖系统（RAS）中土臭素（geosmin）污染导致水产品商业价值降低的难题，开发了一种基于β-酮烯胺连接共价有机框架（COF）的新型吸附材料。通过将TpBD-Me2 COF固载于氧化铝颗粒表面，实现了对水体中痕量土臭素的高效吸附（容量达85.8 mg/g），并在实际RAS水样中达到38%的去除率。结合臭氧化预处理后，去除率显著提升至70%。该材料兼具稳定性高、可重复使用等优势，为RAS中异味控制提供了创新解决方案。

　　

在循环水产养殖系统（Recirculating Aquaculture Systems, RAS）中，一种名为"土臭素"（geosmin）的微量有机物常引发鱼体产生土腥味，严重降低水产品商业价值。这种由蓝藻代谢产生的化合物虽无毒，但人类嗅觉对其极其敏感（水中检测阈值仅5–10 ng/L），传统水处理工艺难以有效去除。目前RAS多依赖大量换水或高剂量臭氧处理，但前者成本高昂，后者过量臭氧可能危害鱼类健康。因此，开发高效、安全的土臭素去除技术成为产业迫切需求。

发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》的最新研究提出了一种创新解决方案：利用共价有机框架（Covalent Organic Framework, COF）材料制备吸附剂。研究人员选择具有β-酮烯胺结构的TpBD-Me₂ COF为核心材料，通过三步法将其均匀包覆在氧化铝颗粒表面，形成稳定性强的复合吸附剂（COF pellets）。该材料在实验室模拟和实际RAS水样中均表现出优异性能。

研究团队通过聚乙烯亚胺（PEI）预处理氧化铝载体，依次进行Tp单体嫁接和COF原位生长，采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、氮气吸附-脱附测试、扫描电镜（SEM）与拉曼映射等技术确认材料结构。吸附实验通过气相色谱（GC）和顶空固相微萃取-气相色谱/质谱（HS-SPME-GC/MS）分析土臭素浓度，并系统评估了pH、腐殖酸等实际水体因素对吸附效果的影响。

3.1 氧化铝负载COF颗粒的合成

通过SEM和拉曼 mapping 分析证实，COF主要生长在氧化铝颗粒外层，形成厚度约744 μm的均匀涂层。氮气吸附显示COF颗粒保留微孔结构（BET表面积170 m2/g），FTIR特征峰（1580 cm?1等）证明β-酮烯胺成功构建。

3.2 吸附与脱附效率

体相COF对土臭素的吸附在45分钟内达到平衡，吸附量达85.8 mg/g，符合准二级动力学模型，表明吸附以物理作用为主（如疏水相互作用）。正己烷脱附率超91%，5次循环使用后吸附效率仍保持75%以上。

3.3 COF颗粒在RAS水样中的测试

在模拟RAS水样（土臭素500 ng/L）中，COF颗粒单独使用可实现38%去除率；与臭氧联用（40 mgO₃/L）时，去除率提升至70%。FTIR证实材料经臭氧处理后结构未破坏，但脱附率降至45%，推测因残留氧化剂导致土臭素降解。

该研究首次将COF材料应用于水产养殖水体净化领域，通过材料创新与工艺优化，为RAS中土臭素控制提供了高效、可再生的技术路径。COF颗粒的规模化制备潜力与协同臭氧的强化效果，展现出广阔的产业化应用前景。