介孔数量、活性位点可调的多级孔锆基金属有机框架材料的制备及其除砷研究
发布时间：2021-03-25 08:44
目前,饮用水安全问题一直困扰着人们并且受到广泛关注。砷污染问题由于砷的高毒性、不可降解性的特点一直是世界普遍面临的饮用水处理难题之一。吸附法被认为是目前最简单、高效的净水技术。传统吸附剂较低的砷吸附容量难以满足人们的用水需求。金属有机框架材料由于其高比表面积和高孔隙率的特点在砷吸附领域展现出巨大的应用潜力,并且被研究者们广泛关注。本文围绕砷污染控制这一主题,制备了两种金属有机框架除砷吸附剂,UIO-66-X%和HP-UIO-66-X%。考察了两种吸附剂的除砷性能并分析了对应的除砷机制,并围绕（1）水体中五价砷的高效去除问题,（2）五价砷在两种吸附剂表面的吸附机制问题以及（3）HP-UIO-66-X%中活性位点和介孔的形成机制问题展开了系统的研究分析。本文第一部分是制备了一系列具有不同NH2-BDC配体数量的UIO-66-X%砷吸附剂,研究了不同NH2-BDC配体数量对砷吸附性能的影响及原因。首先,不同NH2-BDC配体数量的UIO-66-X%在宏观形态上没有明显差异,其官能团种类除了增加了氨基外没有显著差异,比表面积和孔...
【文章来源】：华东交通大学江西省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
我国已知和潜在的受砷影响地区的位置[6]
厍?⑴┐逡约?家庭用水处理[8,9]。但也容易受到环境条件的影响比如pH，温度，污染物初始浓度以及竞争离子的存在。吸附剂作为吸附法的核心，越来越多的研究基于开发高性能的砷吸附剂，可以说吸附剂的发展就是整个砷吸附技术的发展。而研究最多的砷吸附剂主要可分为三大类，分别是炭基吸附剂、金属氧化物基吸附剂以及新型的纳米材料吸附剂。1.3.1.1金属氧化物吸附剂金属氧化物吸附剂由于其对砷酸根和亚砷酸根的强结合能力而被广泛应用于对水体中砷的去除。现有的研究结果表明，AsO键易与金属离子形成AsOM强配位共价键，如图1-2所示，金属氧化物表面的部分羟基会被As(Ⅲ)或As(Ⅴ)取代，然后形成强配位键MOAs，使得砷被牢牢吸附在吸附剂表面。其中，过渡金属氧化物由于过渡金属元素存在空的d轨道，这样的金属氧化物对砷的配合能力更强。比如，Ti，Mn，Fe，Zr等金属元素的氧化物对砷都有优良的吸附效果[20,28-30]。例如，C.Y.Jing[28]课题组采用TiO2吸附柱对实际砷含量超标的地下水进行处理，对于处理前砷浓度为972-2080μg/L的原始含砷地下水，在循环使用15-30天后，出水砷浓度仅为31.7-73.3μg/L。通过吸附柱实验以及扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)分析发现，只有Ca2+，Si(OH)4，和HCO3会对砷吸附造成影响。H.Cui[30]等人采用了一种简单、低成本且安全的合成方法制备出了一种直径约为1mm的ZrO2微球，采用一个全尺寸固定床系统可以很容易将低浓度含砷水降低到10μg/L一下，达到饮用水标准。这种高稳定性、无毒无害能够大批量制备的ZrO2微球在水处理应用上具有广阔的应用前景。图1-2铈改性壳聚糖吸附As(Ⅲ)机理图[31]Fig.1-2ThepossiblemechanismsofAs(III)adsorbedontoceriummodifiedchitosan[31].
徽滦髀?4除了常规的吸附作用除砷外，部分金属氧化物具有强氧化性，能够将部分As(Ⅲ)氧化为As(Ⅴ)再将被氧化的As(Ⅴ)通过物理化学吸附去除。比如，C.H.Liu[20]等人利用同步辐射X射线吸收光谱（XAS）和X射线光电子能谱分析（XPS）技术研究了Fe3O4纳米颗粒对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附机理。结果表明，在无氧条件下，Fe3O4纳米颗粒主要是通过物理化学吸附作用将As(Ⅲ)和As(Ⅴ)吸附在表面，EXAFS分析结果表明As(Ⅴ)在Fe3O4表面的配位形式是双齿双核的配位形式，而As(Ⅲ)在Fe3O4表面的配位形式是三齿状六核的形式，如图1-3a。而在有氧条件下，Fe3O4纳米颗粒接触氧气会产生O2-自由基，能够将As(Ⅲ)氧化为As(Ⅴ)再通过吸附作用络合在吸附剂表面（图1-3b）。类似的，L.Zhang[31]和他的合作者们将二氧化铈负载于壳聚糖上（Ce-CNB）研究了对As(Ⅲ)的去除效果以及去除机理，该吸附剂对As(Ⅲ)的吸附量可达57.5mg/g，吸附机制主要分为两种，一是因为吸附作用在羟基与亚砷酸盐之间形成单齿状和双齿状复合体，二是部分As(III)被氧化为As(V)，然后同时吸附在Ce-CNB表面，如图1-2所示。该研究和前一项研究不同的是，不需要在有氧的条件下就可以将部分As(Ⅲ)氧化成As(V)。前不久，X.Feng[29]等人研究了δ-MnO2对As(Ⅲ)的反应动力学，系统地分析了吸附、脱附以及氧化速率的快慢。研究发现，As(III)的吸附速率远大于其氧化速率，As(III)氧化和As(V)脱附的反应速率相似，并控制整个反应速率，尽管As(V)的脱附速率可能会影响As(V)的再吸附速率。除了以上提到的金属氧化物吸附剂外，还有γ-Al(OH)3[17]，CuO[32]以及Fe-Ni双金属混合氧化物[33]等对砷去除也取得了不错的效果。图1-3(a)砷吸附在Fe3O4纳米颗粒表面络合模型示意图，(b)Fe3O4
【参考文献】：
期刊论文
[1]陆地水环境中砷的迁移转化[J]. 杨芬,朱晓东,韦朝阳. 生态学杂志. 2015(05)
[2]砷的发生、形态、污染源及地球化学循环[J]. 王萍,王世亮,刘少卿,李艳霞,何孟常,林春野. 环境科学与技术. 2010(07)
博士论文
[1]Fe3O4基复合材料光催化氧化/吸附同步去除水中砷的研究[D]. 孙天一.哈尔滨工业大学 2018
本文编号：3099408
【文章来源】：华东交通大学江西省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
我国已知和潜在的受砷影响地区的位置[6]
厍?⑴┐逡约?家庭用水处理[8,9]。但也容易受到环境条件的影响比如pH，温度，污染物初始浓度以及竞争离子的存在。吸附剂作为吸附法的核心，越来越多的研究基于开发高性能的砷吸附剂，可以说吸附剂的发展就是整个砷吸附技术的发展。而研究最多的砷吸附剂主要可分为三大类，分别是炭基吸附剂、金属氧化物基吸附剂以及新型的纳米材料吸附剂。1.3.1.1金属氧化物吸附剂金属氧化物吸附剂由于其对砷酸根和亚砷酸根的强结合能力而被广泛应用于对水体中砷的去除。现有的研究结果表明，AsO键易与金属离子形成AsOM强配位共价键，如图1-2所示，金属氧化物表面的部分羟基会被As(Ⅲ)或As(Ⅴ)取代，然后形成强配位键MOAs，使得砷被牢牢吸附在吸附剂表面。其中，过渡金属氧化物由于过渡金属元素存在空的d轨道，这样的金属氧化物对砷的配合能力更强。比如，Ti，Mn，Fe，Zr等金属元素的氧化物对砷都有优良的吸附效果[20,28-30]。例如，C.Y.Jing[28]课题组采用TiO2吸附柱对实际砷含量超标的地下水进行处理，对于处理前砷浓度为972-2080μg/L的原始含砷地下水，在循环使用15-30天后，出水砷浓度仅为31.7-73.3μg/L。通过吸附柱实验以及扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)分析发现，只有Ca2+，Si(OH)4，和HCO3会对砷吸附造成影响。H.Cui[30]等人采用了一种简单、低成本且安全的合成方法制备出了一种直径约为1mm的ZrO2微球，采用一个全尺寸固定床系统可以很容易将低浓度含砷水降低到10μg/L一下，达到饮用水标准。这种高稳定性、无毒无害能够大批量制备的ZrO2微球在水处理应用上具有广阔的应用前景。图1-2铈改性壳聚糖吸附As(Ⅲ)机理图[31]Fig.1-2ThepossiblemechanismsofAs(III)adsorbedontoceriummodifiedchitosan[31].
徽滦髀?4除了常规的吸附作用除砷外，部分金属氧化物具有强氧化性，能够将部分As(Ⅲ)氧化为As(Ⅴ)再将被氧化的As(Ⅴ)通过物理化学吸附去除。比如，C.H.Liu[20]等人利用同步辐射X射线吸收光谱（XAS）和X射线光电子能谱分析（XPS）技术研究了Fe3O4纳米颗粒对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附机理。结果表明，在无氧条件下，Fe3O4纳米颗粒主要是通过物理化学吸附作用将As(Ⅲ)和As(Ⅴ)吸附在表面，EXAFS分析结果表明As(Ⅴ)在Fe3O4表面的配位形式是双齿双核的配位形式，而As(Ⅲ)在Fe3O4表面的配位形式是三齿状六核的形式，如图1-3a。而在有氧条件下，Fe3O4纳米颗粒接触氧气会产生O2-自由基，能够将As(Ⅲ)氧化为As(Ⅴ)再通过吸附作用络合在吸附剂表面（图1-3b）。类似的，L.Zhang[31]和他的合作者们将二氧化铈负载于壳聚糖上（Ce-CNB）研究了对As(Ⅲ)的去除效果以及去除机理，该吸附剂对As(Ⅲ)的吸附量可达57.5mg/g，吸附机制主要分为两种，一是因为吸附作用在羟基与亚砷酸盐之间形成单齿状和双齿状复合体，二是部分As(III)被氧化为As(V)，然后同时吸附在Ce-CNB表面，如图1-2所示。该研究和前一项研究不同的是，不需要在有氧的条件下就可以将部分As(Ⅲ)氧化成As(V)。前不久，X.Feng[29]等人研究了δ-MnO2对As(Ⅲ)的反应动力学，系统地分析了吸附、脱附以及氧化速率的快慢。研究发现，As(III)的吸附速率远大于其氧化速率，As(III)氧化和As(V)脱附的反应速率相似，并控制整个反应速率，尽管As(V)的脱附速率可能会影响As(V)的再吸附速率。除了以上提到的金属氧化物吸附剂外，还有γ-Al(OH)3[17]，CuO[32]以及Fe-Ni双金属混合氧化物[33]等对砷去除也取得了不错的效果。图1-3(a)砷吸附在Fe3O4纳米颗粒表面络合模型示意图，(b)Fe3O4
【参考文献】：
期刊论文
[1]陆地水环境中砷的迁移转化[J]. 杨芬,朱晓东,韦朝阳. 生态学杂志. 2015(05)
[2]砷的发生、形态、污染源及地球化学循环[J]. 王萍,王世亮,刘少卿,李艳霞,何孟常,林春野. 环境科学与技术. 2010(07)
博士论文
[1]Fe3O4基复合材料光催化氧化/吸附同步去除水中砷的研究[D]. 孙天一.哈尔滨工业大学 2018
本文编号：3099408
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