锌/钴基MOF颗粒和杂化纤维膜的制备及去除水中有机染料的研究

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近年来,含有染料的工业废水污染越来越严重,这严重影响并威胁人们的饮水安全和身体健康,人们对高效去除环境中染料废水的需求显得越来越迫切。金属有机骨架材料是一种由金属离子和有机配体之间通过配位键自组装形成的多孔晶体材料,具有结构多样性、高孔隙率、大比表面积、以及孔径可调等优点,使其在吸附和催化研究中表现出巨大的应用前景。本论文基于MOFs材料的独特结构和性质,探索了几种MOFs、MOFs/聚丙烯腈(PAN)纤维膜去除水中染料废水的研究,揭示了其对水中染料吸附和催化降解机制,旨在拓展MOFs以及MOFs复合材料在染料去除上的应用。主要研究内容和结果如下:1.研究表明金属有机骨架材料对染料表现出优良的吸附性能。然而,MOFs颗粒很难从水溶液中去除,这严重阻碍了其实际应用。将MOFs与高分子纤维膜结合为成功实现这一目标提供了新的方法,不仅仍保持MOFs对染料的吸附性能,而且可以有效地将MOFs/染料复合物从水溶液中去除。这里,我们成功利用静电纺丝技术制备的ZIF-67/PAN纤维膜,其ZIF-67纳米颗粒的负载率为54%。ZIF-67纳米颗粒和ZIF-67/PAN纤维膜的平均直径分别为200 nm和0.72μm。MG在ZIF-67/PAN纤维膜上的吸附过程遵循拟二阶动力学模型和朗格缪尔等温线模型,最大吸附量为1305 mg·g-1,该值高于大多数已报道的吸附剂材料,并且是有史以来利用纤维膜吸附MG的最大值。此外,ZIF-67/PAN纤维膜对刚果红(849 mg·g-1)和碱性品红(730 mg·g-1)也具有良好的吸附能力。此外,ZIF-67/PAN纤维具有制备方法简单、吸附性能好、易于分离、重复利用等优点,在工业应用中是一种理想的吸附剂材料。2.在室温条件下,利用直接搅拌法成功合成ZIF-8纳米颗粒。当ZIF-8用于吸附三苯基甲烷类染料(甲基蓝(MB)、酸性品红(AF)和孔雀绿(MG))时,最大吸附量分别为17162、13205和4838 mg·g-1。通过对吸附动力学和吸附等温线的研究发现ZIF-8纳米颗粒吸附三苯基甲烷类染料遵循拟一阶动力学模型和朗格缪尔等温线模型。其次,在其机理研究中发现促成高吸附量的原因是Zn2+与SO32-之间的离子键、静电相互作用和π-π相互作用。此外,考虑到ZIF-8纳米颗粒难从水溶液中移除的问题,ZIF-8/PAN纤维膜被成功制备用于吸附三苯基甲烷类染料,其结果表明ZIF-8/PAN纤维膜不仅可以有效地从水溶液中移除,而且对三苯基甲烷类染料仍保持高吸附量。3.开发Co-MOFs(ZIF-67、Co-BTC和Co-BDC)/过硫酸氢钾(PMS)体系降解罗丹明B(RhB),考察了该体系中催化剂剂量、PMS剂量、pH和温度等对催化降解染料的影响。结果表明:Co2+/PMS/RhB体系的最佳比例为1:1:1,在初始pH为15时,催化效率明显增强,可能的原因是在酸性条件下Co-MOFs能保持更好的活性和PMS的稳定性更好,当pH升高(7-9)时,PMS的稳定性减弱,甚至分解,从而使降解效率明显下降。此外,在再生实验中发现,重复五个周期后Co-MOFs降解RhB仍能保持90%以上的催化效率。
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