逆扩散法制备ZIF-8膜及其去除水溶液中碘离子性能研究
发布时间：2021-12-15 20:19
放射性碘核素(如129I和131I)如果被释放到环境中,将对环境和生物造成严重的破坏。高效、安全地去除水体中放射性碘核素已经成为放射性废水处理领域的前沿课题之一。金属-有机骨架（Metal-Organic Frameworks,MOFs）作为新型的有序多孔晶体材料,在去除液体中放射性碘核素的应用上展现了巨大的潜力。MOFs材料可以通过选择合适的金属中心和有机配体实现对其孔隙率、比表面积和孔径尺寸的可调控性。此外,选择富含供电子基团和π共轭芳香环有机配体作为构筑单元,利用供电子基团与碘形成电荷转移复合物,也可以增加MOFs对碘的吸附量。但是MOFs的脆弱性、难加工成型性和水稳定性差等限制了其在水处理领域应用中的发展。当前,以水体中碘核素的有效去除为导向,定向构筑具有连续致密性的MOFs膜,揭示MOFs膜在碘水溶液过滤过程中结构变化规律,阐明MOFs膜去除水体中碘离子的机理,成为MOFs膜迈向放射性废水处理应用急需解决的关键科学问题。针对以上问题,本论文提出通过逆扩散法在聚偏氟乙烯表面制备均匀致密的ZIF-8膜,探索了ZIF-8膜去除水中碘离子的...
【文章来源】：广西师范大学广西壮族自治区
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ZIF-8对I2分子的捕获[18]
奈?奖仍贛IL-120（Al）MOFs中强。他们还研究了功能化的MIL-53（Al）有机连接体对碘的吸附行为的影响，结果表明取代对碘的吸附行为没有显著影响。（4）Zr（Ⅳ）MOFs去除放射性碘锆基材料也被用于碘捕获的相应研究。研究证据表明，由于1,4-二羧基苯（BDC）配体中Zr-O团簇与羧酸盐之间的强相互作用，UiO-66的Zr基MOFs具有优异的化学稳定性[14,62]。结合吡啶与I2之间的相互作用机理，Wang等[14]提出利用含吡啶的2,5-吡啶二羧酸（PYDC）作为有机配体构建UiO-66等结构的MOFs（UiO-66-PYDC），并研究其有效去除I2的活性位点（图1-2）。他们的研究发现，与其它传统吸附剂相比，锆基MOFs吸附剂具有明显的优势。首先，由于硬Lewis酸性Zr4+和PYDC之间的强相互作用，它们的化学稳定性可以传递，因而可以适应恶劣的工作环境。其次，PYDC作为有机支柱均匀地分布在开放的框架内，因而有大量的活性吸附位点。同时，避免了引入吡啶的复杂过程，且制备的UiO-66-PYDC的孔道保持畅通，为I2的调节节省了更多的空间。最重要的是，由于每个PYDC单元在高度有序的三维结构中的均匀排列，它们完全可以充当I2吸附位点。另外，Forgan等研究了稳定的Zr基MOFs[Zr6O4(OH)4(sdc)6]n、[Zr6O4(OH)4(edb)6]n、[Zr6O4(OH)4(bdb)6]n对碘的储存性能[63]。研究发现，尽管溴化和溴水合反应都可以很容易地发生，[Zr6O4(OH)4(sdc)6]n却不能在其整个烯烃单元上化学吸附I2，其最大I2物理吸附储存容量为107wt%。相比之下，[Zr6O4(OH)4(edb)6]n和[Zr6O4(OH)4(bdb)6]n可同时作用于化学和物理吸附剂I2，显示捕获I2的最大重量百分比分别为57wt%和88.5wt%。一般来说，Zr（Ⅳ）MOFs的化学稳定性，加上它们的高孔隙率与连接体上的活性?
广西师范大学硕士学位论文8图1-4用醋酸纤维素膜（Au-CAM）固定化AuNPs的脱盐过程示意图[13]Fig.1-4SchematicillustrationofthedesalinationprocedureinthisstudybyusingAuNPsimmobilizedonacelluloseacetatemembrane(Au-CAM).[13]虽然MOFs混合基质膜用于吸附分离的研究被不断报道，但是将其用于吸附分离碘的研究报道还很少。Mahdi等提出通过胶体混合方法，制备了ZIF-8-聚氨酯混合基质膜，发现PU/ZIF-8（30%掺杂量）复合膜对环己烷中的I2的吸附容量达到32.4%[70]。Au-Duong等通过原位组装的方法在多巴胺修饰的细菌纤维素薄膜表面制备了BC@Dopa-ZIF-8复合膜。BC@Dopa-ZIF-8复合膜对气态碘的吸附容量为1.87±0.18g/g，对水溶液中碘的吸附容量为1.31±0.02g/g[71]。Mushtaq等通过注射器辅助或真空过滤方法制备了一种由金纳米粒子和醋酸纤维素膜组成的AuNPs和CAM复合膜，由于AuNPs对碘离子具有良好的吸附能力，Au-CAM滤光片可用于连续水体系中放射性碘的高效离子选择性分离（图1-4），预计他们的工作将成为各种水性介质中放射性碘脱盐的新途径[13]。尽管基于MOFs的混合基质膜具有潜力，但仍存在挑战和局限性。MOFs在混合基质膜中的掺杂含量是决定I2吸附容量的关键因素，但MOFs填充含量过高时，易发生团聚，导致聚合物与MOFs界面缺陷显著增加，吸附效率大幅度下降。如何开发MOFs含量高、无界面缺陷、吸附性能优异的MOFs膜，就成为一项极具挑战的学术难题。结合第1.2节的讨论，我们可以得出一个结论：相对于混合基质膜，多孔基质负载或者自支撑的多晶生长MOFs膜更能满足膜吸附操作的要求。MOFs膜捕获和分离碘的研究不断取得新的进展，一些新型拓扑结构的MOFs材料被成功制备成分离膜。但需要指出的是，迄今为止，定向构筑具有碘吸附功能
【参考文献】：
期刊论文
[1]利用简易方法制备稳定的具有微纳结构的ZIF-8高效油水分离膜（英文）[J]. 宋明秋,赵宇鑫,牟善军,姜春明,李湛,杨平平,方千荣,薛铭,裘式纶. Science China Materials. 2019(04)
[2]吸附法处理水体中放射性碘核素研究进展[J]. 玮达,张晓媛,顾平,张光辉. 水处理技术. 2017(09)
[3]气态放射性碘的捕集方法综述[J]. 马英,刘群,董磊,王龙江,王坤俊,丘丹圭,侯建荣,史英霞. 山西大学学报(自然科学版). 2017(03)
[4]沸石咪唑酯骨架材料-8的合成及其膜的制备研究进展[J]. 姜交来,廖俊生. 材料导报. 2015(15)
[5]聚吡咯导电材料合成方法的进展[J]. 尹五生. 功能材料. 1996(02)
博士论文
[1]环境纳米材料的制备及污染物去除研究[D]. 陈媛媛.中国科学技术大学 2017
[2]金属—有机框架膜的制备、后功能化修饰及其性能研究[D]. 钭忠尚.浙江大学 2014
硕士论文
[1]医用同位素生产堆放射性气体处理及气态碘提取研究[D]. 熊伟.兰州大学 2018
[2]ZIF-8@mesoSiO2核壳材料的合成以及疏水性修饰的研究[D]. 孙鹏轩.吉林大学 2016
[3]金属有机骨架膜的制备及其性能研究[D]. 杜淑慧.大连理工大学 2012
本文编号：3537083
【文章来源】：广西师范大学广西壮族自治区
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ZIF-8对I2分子的捕获[18]
奈?奖仍贛IL-120（Al）MOFs中强。他们还研究了功能化的MIL-53（Al）有机连接体对碘的吸附行为的影响，结果表明取代对碘的吸附行为没有显著影响。（4）Zr（Ⅳ）MOFs去除放射性碘锆基材料也被用于碘捕获的相应研究。研究证据表明，由于1,4-二羧基苯（BDC）配体中Zr-O团簇与羧酸盐之间的强相互作用，UiO-66的Zr基MOFs具有优异的化学稳定性[14,62]。结合吡啶与I2之间的相互作用机理，Wang等[14]提出利用含吡啶的2,5-吡啶二羧酸（PYDC）作为有机配体构建UiO-66等结构的MOFs（UiO-66-PYDC），并研究其有效去除I2的活性位点（图1-2）。他们的研究发现，与其它传统吸附剂相比，锆基MOFs吸附剂具有明显的优势。首先，由于硬Lewis酸性Zr4+和PYDC之间的强相互作用，它们的化学稳定性可以传递，因而可以适应恶劣的工作环境。其次，PYDC作为有机支柱均匀地分布在开放的框架内，因而有大量的活性吸附位点。同时，避免了引入吡啶的复杂过程，且制备的UiO-66-PYDC的孔道保持畅通，为I2的调节节省了更多的空间。最重要的是，由于每个PYDC单元在高度有序的三维结构中的均匀排列，它们完全可以充当I2吸附位点。另外，Forgan等研究了稳定的Zr基MOFs[Zr6O4(OH)4(sdc)6]n、[Zr6O4(OH)4(edb)6]n、[Zr6O4(OH)4(bdb)6]n对碘的储存性能[63]。研究发现，尽管溴化和溴水合反应都可以很容易地发生，[Zr6O4(OH)4(sdc)6]n却不能在其整个烯烃单元上化学吸附I2，其最大I2物理吸附储存容量为107wt%。相比之下，[Zr6O4(OH)4(edb)6]n和[Zr6O4(OH)4(bdb)6]n可同时作用于化学和物理吸附剂I2，显示捕获I2的最大重量百分比分别为57wt%和88.5wt%。一般来说，Zr（Ⅳ）MOFs的化学稳定性，加上它们的高孔隙率与连接体上的活性?
广西师范大学硕士学位论文8图1-4用醋酸纤维素膜（Au-CAM）固定化AuNPs的脱盐过程示意图[13]Fig.1-4SchematicillustrationofthedesalinationprocedureinthisstudybyusingAuNPsimmobilizedonacelluloseacetatemembrane(Au-CAM).[13]虽然MOFs混合基质膜用于吸附分离的研究被不断报道，但是将其用于吸附分离碘的研究报道还很少。Mahdi等提出通过胶体混合方法，制备了ZIF-8-聚氨酯混合基质膜，发现PU/ZIF-8（30%掺杂量）复合膜对环己烷中的I2的吸附容量达到32.4%[70]。Au-Duong等通过原位组装的方法在多巴胺修饰的细菌纤维素薄膜表面制备了BC@Dopa-ZIF-8复合膜。BC@Dopa-ZIF-8复合膜对气态碘的吸附容量为1.87±0.18g/g，对水溶液中碘的吸附容量为1.31±0.02g/g[71]。Mushtaq等通过注射器辅助或真空过滤方法制备了一种由金纳米粒子和醋酸纤维素膜组成的AuNPs和CAM复合膜，由于AuNPs对碘离子具有良好的吸附能力，Au-CAM滤光片可用于连续水体系中放射性碘的高效离子选择性分离（图1-4），预计他们的工作将成为各种水性介质中放射性碘脱盐的新途径[13]。尽管基于MOFs的混合基质膜具有潜力，但仍存在挑战和局限性。MOFs在混合基质膜中的掺杂含量是决定I2吸附容量的关键因素，但MOFs填充含量过高时，易发生团聚，导致聚合物与MOFs界面缺陷显著增加，吸附效率大幅度下降。如何开发MOFs含量高、无界面缺陷、吸附性能优异的MOFs膜，就成为一项极具挑战的学术难题。结合第1.2节的讨论，我们可以得出一个结论：相对于混合基质膜，多孔基质负载或者自支撑的多晶生长MOFs膜更能满足膜吸附操作的要求。MOFs膜捕获和分离碘的研究不断取得新的进展，一些新型拓扑结构的MOFs材料被成功制备成分离膜。但需要指出的是，迄今为止，定向构筑具有碘吸附功能
【参考文献】：
期刊论文
[1]利用简易方法制备稳定的具有微纳结构的ZIF-8高效油水分离膜（英文）[J]. 宋明秋,赵宇鑫,牟善军,姜春明,李湛,杨平平,方千荣,薛铭,裘式纶. Science China Materials. 2019(04)
[2]吸附法处理水体中放射性碘核素研究进展[J]. 玮达,张晓媛,顾平,张光辉. 水处理技术. 2017(09)
[3]气态放射性碘的捕集方法综述[J]. 马英,刘群,董磊,王龙江,王坤俊,丘丹圭,侯建荣,史英霞. 山西大学学报(自然科学版). 2017(03)
[4]沸石咪唑酯骨架材料-8的合成及其膜的制备研究进展[J]. 姜交来,廖俊生. 材料导报. 2015(15)
[5]聚吡咯导电材料合成方法的进展[J]. 尹五生. 功能材料. 1996(02)
博士论文
[1]环境纳米材料的制备及污染物去除研究[D]. 陈媛媛.中国科学技术大学 2017
[2]金属—有机框架膜的制备、后功能化修饰及其性能研究[D]. 钭忠尚.浙江大学 2014
硕士论文
[1]医用同位素生产堆放射性气体处理及气态碘提取研究[D]. 熊伟.兰州大学 2018
[2]ZIF-8@mesoSiO2核壳材料的合成以及疏水性修饰的研究[D]. 孙鹏轩.吉林大学 2016
[3]金属有机骨架膜的制备及其性能研究[D]. 杜淑慧.大连理工大学 2012
本文编号：3537083
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3537083.html
