功能化金属有机骨架材料的制备及对水中染料去除性能的研究

发布时间：2020-06-06 01:55

【摘要】：吸附法因成本低廉,操作简便,处理效率高,具有环境友好性等优点,已在水中有机染料去除研究中引起研究者的广泛关注。目前粘土矿物、磁性材料、高分子聚合物和金属有机骨架材料(Metal organic Framework,MOFs)等都已被成功应用于对水中有机染料的去除研究。其中MOFs因具有超大的比表面积、可选择的孔尺寸、较好的稳定性等优点,已成功应用于对水中有机染料的去除。鉴于此,本学位论文在前人研究的基础之上,围绕功能化MOFs复合纳米材料的制备及应用,开展了以下创新性研究工作:(1)采用原位聚合法制备NH_2-MIL-53(Al)@PDA复合纳米材料,通过透射电镜(Transmission electron microscopy,TEM)、扫描电镜(Scanning electron microscopy,SEM)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)分析、傅里叶红外光谱仪(Fourier transform infrared,FT-IR)和比表面积测试仪(Brunauer-Emmett-Teller,BET)等手段对其进行表征。该复合纳米材料成功应用于对水中阳离子染料结晶紫(Crystal violet,CV)和孔雀石绿(Malachite green,MG)的去除。在308.15 K,CV和MG溶液的pH分别为10.0和8.0条件下,NH_2-MIL-53(Al)@PDA复合纳米材料对CV和MG的去除率分别达到90.51%和92.37%。研究表明,其吸附机理主要是静电作用、氢键和π-π堆积作用。(2)制备了具有外磁场响应的Fe_3O_4@SiO_2-IDA@NH_2-MIL-101(Al)@PPy复合纳米材料,采用TEM、SEM、BET、XRD、FT-IR和振动样品磁强计(Vibrating sample magnetometer,VSM)对该复合纳米材料进行表征。以阴离子染料刚果红(Congo red,CR)为分析对象,考察了溶液的pH、浓度、离子强度、振荡时间,以及振荡温度对Fe_3O_4@SiO_2-IDA@NH_2-MIL-101(Al)@PPy复合纳米材料吸附性能的影响,并初步探讨了其吸附机理。研究结果表明,在308.15 K,pH 7.0条件下,Fe_3O_4@SiO_2-IDA@NH_2-MIL-101(Al)@PPy复合纳米材料对CR的吸附量可达289.18 mg?g~(-1),吸附机理主要是静电作用、氢键和π-π堆积作用。(3)制备了GO@Fe_3O_4/CS@HKUST-1磁性复合纳米材料,采用SEM、TEM、BET、XRD、FT-IR和VSM等手段对所制备的纳米复合材料进行表征。以阳离子染料亚甲基蓝(Methylene blue,MB)为分析对象,考察了不同实验条件下GO@Fe_3O_4/CS@HKUST-1的吸附性能。研究结果表明,在308.15 K,pH 9.0条件下,GO@Fe_3O_4/CS@HKUST-1对MB的吸附量为82.04 mg?g~(-1)。研究表明,其吸附机理主要是静电作用、π-π堆积作用和氢键。
【图文】：

图 1-1 结晶紫 (a)、孔雀石绿 (b)、亚甲基蓝 (c)和刚果红 (d)结构示意图CV和MG是最常用的三苯甲烷类阳离子有机染料。CV作为一种紫色染料，不仅广泛应用于纺织品、皮革和油墨等工业用途，作为抗过敏源和杀菌剂用于药物研究，同时在生物学中通过革兰氏染色法将细菌进行分类处理[10]。CV 可对短期接触的生物体产生有害影响。MG 通常作为杀菌剂或处理寄生虫用于水产养殖、鱼类孵化场和畜牧业等各种行业中。MG 可以通过代谢进入人体，转化为高毒性的脂溶性危险物质，也可以诱导癌症、畸形，，以及呼吸系统疾病。CR 是一种高水溶性的联苯胺类直接偶氮染料，是联苯胺与萘甲酸的衍生物，在厌氧条件下将代谢成致癌的芳香胺类物质。CR 在医学中主要用于淀粉样变性的诊断、胃内游离性盐酸的检测，以及淀粉样蛋白的组织学染色等方向，同时在纺织工业中为常用染色剂。研究表明 CR 会引发有机体突变和生殖性突变，对皮肤、肠胃等具有刺激性作用，并将影响血液凝结和呼吸作用[11]。MB会引起眼睛刺激、皮肤刺激和血液变化的全身效应。将MB吸入体内后，会引发呼吸困难、呕吐、恶心、腹泻、大量出汗，严重时可能出现精神混乱等症

因此 MOFs 材料种类众多。其分类可以按照为以下 4 类：状金属有机骨架材料属有机骨架材料(Isoreticular Metal-Organic Frameworks, Ihi 等[43]在 1999 年提出合成，是新型多孔材料的原型。IR结构如图 1-2 所示。图 1-2 (a)上方为 IRMOF-1 的三种金料的笼状结构，其中结构中间圆球代表孔穴中最大的范德MOF-1 在{100}面的结构图。该材料孔径可以随着联苯、分子结构长度的增大而扩大。随后该团队通过改变配体中官能团修饰苯环，合成了 IRMOF-n (n=1~16)系列材料[44~28.8 。所有的 IRMOFs 都具有与原型 IRMOF-1 相似的原子为中心，通过六个羧基与锌原子相结合，形成四金属簇。随后与有机羧酸配体反应形成三维的八面体多s 系列材料的合成实现了 MOFs 材料从微孔 (孔径 <2nm nm)材料的过渡和拓展。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ424;X703

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本文编号：2698963