基于金属有机骨架ZIF-8新型吸附剂的制备及液相吸附性能研究

来源 :重庆大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:huhf1984
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随着材料科学的发展,相比于传统吸附材料,新型吸附材料的研发成为热点研究方向之一。金属有机骨架作为一种新型材料因其具有比表面积大、孔径可调和吸附位点丰富等优势而受到广泛关注,并应用于气体吸附和液相吸附领域。其中ZIFs作为金属有机骨架的一种,最大的优势在于其孔隙结构发达,比表面积大,水热稳定性强。因此,论文制备金属有机骨架ZIF-8和磁性复合材料Fe3O4@ZIF-8,并将其作为新型吸附剂,探究对阴离子染料刚果红的吸附性能。论文采用常温机械搅拌法成功制备吸附材料ZIF-8,并通过将磁性Fe3O4粒子和ZIF-8复合,制备出一种新型磁性吸附材料Fe3O4@ZIF-8。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X-射线衍射(XRD)、热重分析(TG)及磁性能分析(VSM)等多种手段对合成的ZIF-8和磁性复合材料Fe3O4@ZIF-8的形貌结构、物质组成等进行表征。并通过静态吸附实验,考察了不同影响因素对各吸附材料去除刚果红染料的影响。除此之外,采用吸附动力学模型、吸附等温线模型以及热力学模型对吸附过程进行动力学和热力学分析,初步探究其吸附机理。同时,系统研究了新型吸附剂ZIF-8和Fe3O4@ZIF-8的选择吸附性能以及在混合染料中的竞争吸附性能,考察了各吸附剂的循环再生性能。最后,对比了ZIF-8、Fe3O4@ZIF-8、Fe3O4和活性炭4种吸附材料对刚果红染料的吸附效果。论文的主要研究成果如下:(1)采用操作更为简便的常温机械搅拌法成功合成金属有机骨架ZIF-8,通过XRD和FTIR表征手段对材料进行确认。由SEM分析可知,合成的ZIF-8呈多面体结构,形貌和颗粒大小均匀,粒径为100 nm左右。通过TG分析可知,合成的ZIF-8具有优异的热稳定性能。(2)在ZIF-8的合成基础上,加入磁性纳米Fe3O4颗粒,成功制备出新型磁性复合材料Fe3O4@ZIF-8。通过XRD和FTIR分析可知Fe3O4已成功和ZIF-8结合。SEM和TEM表征显示Fe3O4@ZIF-8呈典型的核壳结构,并且表面粗糙,颗粒彼此堆叠以形成许多孔道。磁性能(VSM)分析说明Fe3O4@ZIF-8具备良好的磁学性质,能够通过外加磁场的方法而从溶液中快速分离。(3)考察了吸附剂ZIF-8和Fe3O4@ZIF-8对染料的选择吸附性能和竞争吸附性能,发现ZIF-8和Fe3O4@ZIF-8对阴离子偶氮染料刚果红都具有选择吸附性,其吸附去除率大小为刚果红>直接蓝86>甲基橙>亚甲基蓝。并且ZIF-8和Fe3O4@ZIF-8在混合染料(刚果红+直接蓝86)中均优先吸附刚果红染料,说明刚果红染料在竞争吸附中占据优势。但是混合染料中刚果红和直接蓝86染料的去除率均低于单独体系中,且刚果红的去除率随着直接蓝86浓度的增加而不断下降。(4)初步探讨了ZIF-8和Fe3O4@ZIF-8的吸附机理,两种吸附剂的吸附动力学均符合二级动力学模型,吸附等温线均符合Langmuir模型,热力学表明吸附过程均是自发吸热反应。整个吸附过程是物理吸附和化学吸附共存。其吸附机理主要是静电引力,ZIF-8和Fe3O4@ZIF-8中的不饱和骨架金属Zn2+和刚果红染料中的—SO3发生静电吸引,同时ZIF-8和Fe3O4@ZIF-8材料中的咪唑环与刚果红分子中的苯环还发生了π—π键作用。(5)对比ZIF-8、Fe3O4@ZIF-8、Fe3O4和活性炭四种吸附剂对刚果红染料的去除效果发现,吸附剂的吸附量大小依次为ZIF-8>Fe3O4@ZIF-8>活性炭>Fe3O4,但是磁性吸附剂Fe3O4@ZIF-8对刚果红具有很高的去除率,且可以利用加入外部磁场的方法而高效回收利用。ZIF-8和Fe3O4@ZIF-8吸附剂都具有优良的循环吸附性能,ZIF-8和Fe3O4@ZIF-8经过5次循环后,阴离子偶氮染料刚果红的吸附去除率仍然高于90%。
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