【摘 要】
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过滤吸附材料是空气与水清除化处理技术的关键材料,要求具有超高的去除率、设计简单和对各种污染物有着普遍的适用性。ZIF-8是金属有机骨架(MOF)的子类,其三维结构是由咪唑盐连接基与金属锌离子形成的四面体,具有优异的比表面积和孔隙,且静电纺丝技术在微纳米纤维构筑上具有极大的优势,两者结合能快速得到具有优良过滤吸附性能的复合膜,整个制备流程简单,成本较低,并有利于拓展纳米复合材料在过滤吸附方面的应用。
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过滤吸附材料是空气与水清除化处理技术的关键材料,要求具有超高的去除率、设计简单和对各种污染物有着普遍的适用性。ZIF-8是金属有机骨架(MOF)的子类,其三维结构是由咪唑盐连接基与金属锌离子形成的四面体,具有优异的比表面积和孔隙,且静电纺丝技术在微纳米纤维构筑上具有极大的优势,两者结合能快速得到具有优良过滤吸附性能的复合膜,整个制备流程简单,成本较低,并有利于拓展纳米复合材料在过滤吸附方面的应用。因此,本文将静电纺与ZIF-8进行复合,对其过滤吸附性能进行研究,主要研究内容分为3部分,1)ZIF-8材料的制备与表征;2)共纺法制备PU@ZIF-8s复合膜及其过滤性能研究;3)基于静电纺原位制备PU/ZIF-8复合膜及其重金属吸附研究。具体研究内容如下:1)通过超声法制备ZIF-8,探讨了不同溶剂和反应时间对其形貌的影响,通过对不同反应时间所制备的颗粒进行形貌分析,得出在360min时ZIF-8的晶体颗粒形态基本稳定;反应溶液中的p H随反应时间会出现变化,在120 min时,溶液中H+不再增加,表明ZIF-8的成核反应在120 min基本完成,进一步明晰了ZIF-8纳米颗粒的生长过程。TG测试结果表明ZIF-8在200℃左右开始发生分解,其具有良好的热稳定性。2)使用共纺法制备了PU@ZIF-8复合膜,探讨了不同纺丝参数(纺丝液的浓度、电压和接收距离)对形貌的影响,结果表明:当温度为25℃、湿度60%、浓度为15%、电压为17k V及接收距离为16cm,纺丝效果最佳,可得到复合膜中纤维的平均直径为1.08μm。在最佳电纺参数下,探究了ZIF-8的负载情况对空气过滤性能的影响,测试结果分析表明,当ZIF-8的负载量为15%时,过滤效率高达99.99%,且经过5次洗涤和30天的反复过滤,仍有较高的过滤效率,过滤稳定性较好。对实验数据进行拟合发现其与过滤效率数学公式(?)高度吻合,拟合度达到0.9864,说明该公式可以有效的解释PU@ZIF-8-15复合膜过滤效率随过滤时间的变化。3)基于静电纺分别以原位合成方法和浸渍方法制备了PU/ZIF-8纤维复合膜,通过实验得出:基于原位方法制备的纤维膜中的ZIF-8分布均匀,其在高水通量下可高效捕获重金属离子。继续探讨了金属离子溶液酸碱性、吸附时间和初始浓度对原位方法合成的复合膜吸附性能的影响。实验结果表明:当多离子共存时,铜离子优先吸附,证明复合膜对离子吸附具有选择性。重金属溶液的p H对复合膜的吸附性能存在影响,最佳吸附重金属离子溶液酸碱性分别为:Cu2+溶液的p H为5,Pb2+溶液的p H为5,Cr6+溶液的p H为4。重金属离子吸附时间对复合膜吸附性能具有重要的影响,重金属离子的吸附平衡时间不同,Cu2+、Pb2+、Cr6+的吸附达到饱和所需的时间分别为180 min、120 min和100 min。重金属离子溶液初始浓度对复合膜的吸附性能也存在影响,Cu2+在初始浓度为620 mg·L-1,吸附量达到最大,最大值为147.19 mg·L-1;Cr6+在初始浓度为500 mg·L-1,吸附量达到最大,最大值为113.98 mg·L-1;Pb2+在初始浓度为400 mg·L-1,吸附量达到最大,最大值为44.12 mg·L-1。通过动力学拟合得到复合膜对Pb2+、Cr6+和Cu2+的理论最大吸附量分别为50.97 mg/g、125.0 mg/g和156.25mg/g,与实验值基本吻合。基于静电纺通过2种方法制备了PU与ZIF-8复合膜,其中共纺法制备的复合膜具有优异的空气过滤性能和过滤稳定性,对空气过滤产品的开发具有参考价值。基于静电纺原位制备的复合膜对重金属离子具有优异的吸附性能,为重金属离子污染问题提供了解决方案。ZIF-8与静电纺丝技术的结合,可快速得到具有优异过滤吸附性能的材料,其在纳米复合吸附过滤材料方面的具有良好的应用前景。
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