MIL-101和Zr-MOFs改性与煅烧材料的制备及其去除重金属性能研究

发布时间：2017-08-02 13:23

  本文关键词：MIL-101和Zr-MOFs改性与煅烧材料的制备及其去除重金属性能研究

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【摘要】：随着现代工业的快速发展,中国面临极其严峻的水体污染问题,特别是工业废水中的铅、汞以及锑导致的污染,严重危害着人体健康。金属-有机骨架材料是一种新兴的多孔材料,具有比表面积大、孔隙率高、结构多样、表面易修饰等特点,是一类潜在优良的水处理吸附剂。本文通过氨基、巯基等官能团对金属-有机骨架材料MIL-101及Zr-MOF进行改性,或将改性后的Zr-MOFs材料通过高温煅烧得到新型结构的金属氧化物,从而为吸附法处理水中重金属方面提供了新思路,拓宽了MOFs在处理重金属方面的应用。本文主要研究内容有:1、首先通过水热法一步合成具有大比表面积及不饱和金属位点的MOFs材料MIL-101,然后采用后修饰的方法,通过嫁接不同量的乙二胺,将氨基官能团引入到MIL-101上,得到一系列ED-MIL-101。通过XRD、FT-IR、SEM、TEM、XPS等表征方法证实成功合成含有氨基的ED-MIL-101。ED-MIL-101(5 mmol)对Pb(II)的最大吸附容量高达81.09mg·g-1,吸附过程更符合Langmuir吸附等温模型,为单层吸附。D-R等温吸附模型表明ED-MIL-101对Pb(II)吸附的过程中化学吸附占主导作用。动力学研究表明吸附过程只需30min达吸附平衡,更符合拟二级动力学吸附模型。选择性实验表明ED-MIL-101对Pb(II)有较高的选择性和识别能力。此外,ED-MIL-101对实际废水中Pb(II)的去除率高达97.22%,能有效去除实际废水中Pb(II)。2、首先合成含有巯基官能团的有机配体2,5-二巯基对苯二甲酸,再与ZrCl4在DMF溶剂下合成巯基功能化的Zr-MOFs(Zr-DMBD)。XRD和SEM表明Zr-DMB与UiO-66具有相同的拓扑结构,FT-IR证实Zr-DMBD表面含有大量的巯基官能团。吸附实验表明Zr-DMBD对Cu(II)、Cd(II)、Pb(II)及Hg(II)的最大吸附容量分别为40.2mg·g-1、43.8mg·g-1、97.0mg·g-1和171.5mg·g-1,远强于UiO-66的吸附能力,且吸附过程更符合Langmuir吸附等温模型。D-R等温吸附模型表明化学吸附在吸附过程中占主导作用。动力学表明Zr-DMBD对重金属吸附速率快,20min内就达到了吸附平衡,更符合拟二级动力学吸附模型。选择性和重复利用实验表明Zr-DMBD对Hg(II)有超强的识别能力和良好的再生性能。此外,Zr-DMBD对废水中Cu(II)、Cd(II)、Pb(II)和Hg(II)的去除率可达99.45%,可处理Hg(II)的有效柱体积高达840BV,有望成为处理实际废水中重金属的良好吸附剂。3、首先合成了一系列Zr-MOFs材料UiO-66、UiO-66-NH2及Zr-DMBD,然后通过不同高温煅烧得到不同相态结构的ZrO_2材料,并用XRD、SEM、FT-IR等方法对材料进行表征。吸附实验表明,在900℃条件下煅烧Zr-MOFs合成的ZrO_2比其他温度煅烧得到的ZrO_2吸附Sb(III)能力更强。900℃煅烧UiO-66、UiO-66-NH2及Zr-DMBD合成的ZrO_2对Sb(III)的最大吸附容量分别为46.32mg·g-1、54.29和72.10mg·g-1,远远大于煅烧ZrO(OH)2得到的ZrO_2。吸附过程更符合Langmuir吸附等温模型,属于单层吸附。D-R等温吸附模型表明吸附Sb(III)过程主要为化学吸附。动力学吸附研究表明Sb(III)在前20min内吸附速率比较快,吸附平衡时间为60min,吸附过程中速率主要受化学吸附作用影响,符合拟二级动力学吸附模型。此外,溶液pH对Sb(III)吸附影响很大,吸附溶液最佳pH值为8。总体来说,由Zr-MOFs在900℃煅烧合成的ZrO_2对水中Sb(III)有很好的吸附能力。
【关键词】：金属-有机骨架材料 MIL-101 乙二胺修饰 Zr-MOFs 巯基改性 高温煅烧 ZrO_2 吸附 重金属离子
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-26
• 1.1 水中重金属污染现状及处理方法10-16
• 1.1.1 水中重金属污染现状10-12
• 1.1.2 铅污染的主要来源及危害12
• 1.1.3 汞污染的主要来源及危害12-13
• 1.1.4 锑污染的主要来源及危害13
• 1.1.5 水中重金属的处理方法13-16
• 1.2 金属-有机骨架材料16-24
• 1.2.1 MOFs的简介16-18
• 1.2.2 MOFs的分类18-19
• 1.2.3 MOFs的合成方法19-20
• 1.2.4 MOFs的结构特点20-23
• 1.2.5 MOFs的应用23-24
• 1.3 本课题研究的目的和主要内容24-26
• 第二章 氨基功能化MIL-101的合成及其去除水中铅的性能研究26-50
• 2.1 实验部分26-31
• 2.1.1 实验仪器和设备26-27
• 2.1.2 实验试剂27-28
• 2.1.3 氨基功能化MIL-101合成28-29
• 2.1.4 氨基化MIL-101吸附水中铅的性能研究29-31
• 2.2 结果与讨论31-49
• 2.2.1 表征31-38
• 2.2.2 吸附试验38-49
• 2.3 小结49-50
• 第三章 巯基功能化Zr-MOF的合成及其去除水中铜、镉、铅、汞的性能研究50-76
• 3.1 实验部分50-58
• 3.1.1 实验仪器和设备50-51
• 3.1.2 实验试剂51-52
• 3.1.3 巯基功能化Zr-MOF的合成52-56
• 3.1.4 巯基功能化Zr-MOF吸附水中重金属的性能研究56-58
• 3.2 结果与讨论58-74
• 3.2.1 表征58-63
• 3.2.2 吸附试验63-74
• 3.3 小结74-76
• 第四章 高温煅烧Zr-MOFs合成氧化锆及其去除水中锑的性能研究76-93
• 4.1 实验部分76-80
• 4.1.1 实验仪器和设备76-77
• 4.1.2 实验试剂77-78
• 4.1.3 高温煅烧Zr-MOFs合成氧化锆78-79
• 4.1.4 氧化锆吸附水中锑的性能研究79-80
• 4.2 结果与讨论80-91
• 4.2.1 表征80-83
• 4.2.2 吸附试验83-91
• 4.3 小结91-93
• 第五章 结论93-95
• 参考文献95-103
• 硕士期间科研成果103-104
• 致谢104-105

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