【摘 要】
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由重金属污染引发的食品安全问题已成为全球瞩目的重要问题。经由农业生产和食物加工进入食物链的三价砷会引发人体多种疾病。为了有效避免三价砷在食品生产加工过程中的引入
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由重金属污染引发的食品安全问题已成为全球瞩目的重要问题。经由农业生产和食物加工进入食物链的三价砷会引发人体多种疾病。为了有效避免三价砷在食品生产加工过程中的引入,保障食品安全,研发高效便捷的新型砷去除技术显得尤为重要。本论文采用内外部结构设计策略成功制备了能同时吸附氧化三价砷的新型铁锰双金属有机框架纳米材料并探究其吸附氧化机理及应用价值。本论文开展的研究内容主要包括:(1)采用内外部结构设计策略,通过温度控制结晶的方法,开发了一种非晶态铁锰双金属有机框架吸附材料,并利用一系列的表征技术对该材料无定形结构的成因进行探究,验证了其在水体中吸附砷的稳定性。TEM和SEM结果表明,反应温度和金属元素投料比对吸附剂形貌影响较大,而反应时间主要控制吸附剂的粒径。通过对HRTEM和XRD的结果进行分析,发现FeMn-MOF-74s晶体结构的形成是一种热力学控制过程,即随着温度的升高该材料由无定形结构逐渐转变成为晶体结构。从BET和XPS结果可以得知这种结构转变对材料的比表面积无明显影响而对表面铁/锰元素分布影响较大。此外,通过对吸附后的FeMn-MOF-74s进行SEM和XRD表征,证明了无定形结构相较于晶体结构具有更好的结构稳定性。(2)对已合成的FeMn-MOF-74s吸附剂的三价砷吸附氧化能力展开探讨。测试多种试验条件下合成的FeMn-MOF-74s对As(Ⅲ)的吸附能力,结果表明合成温度120°C、铁锰投料比3/10、反应时间24小时为最优。探讨了多种p H条件对该材料去除As(Ⅲ)能力的影响,结果表明最优环境pH值为7。详细的动力学和等温线研究进一步证明了优化后的FeMn-MOF-74s吸附剂对As(Ⅲ)的吸附过程属于多层吸附和化学吸附相结合的方式,展现了极高的饱和吸附容量161.6 mg/g。在进行连续4次的重复使用后,优化后的FeMn-MOF-74s吸附剂的吸附性能保持在90%以上;在多种阴离子共存的情况下,其吸附能力没有发生显著改变。FeMn-MOF-74s吸附剂对As(Ⅲ)的氧化性能主要通过XPS进行验证,结果表明不同的表面铁/锰元素分布造成了氧化能力的显著差异,锰元素比例高会导致更好的氧化性能。通过对FTIR和XPS结果进行分析,该材料对As(Ⅲ)的吸附氧化机理主要包括:As(Ⅲ)主要通过羟基取代和形成氢键的方式吸附到材料表面,并与材料中低配位的Mn4+和Mn3+位点发生氧化还原反应,可以在固-液界面处有效实现由As(Ⅲ)到As(V)的氧化过程。优化后的FeMn-MOF-74s吸附剂的无定形结构提供了许多低配位吸附氧化位点和均匀分布的活性中心,增强了对As(Ⅲ)的去除能力。FeMn-MOF-74s纳米吸附剂的研发不仅能有效去除水体中的As(Ⅲ)砷污染,还能在一定程度上氧化As(Ⅲ)降低其毒性,为保障水资源安全提供了新的思路,对于保障食品安全具有十分重要的意义。
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