金属有机框架材料MIL-100(Fe)和ZIF-67对Cr(Ⅵ)吸附性能的研究

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具有高毒性的六价铬[Cr(Ⅵ)]严重威胁了世界环境健康,亟待高效易操作的措施来治理Cr(Ⅵ)的污染。金属有机框架材料(metal-organic framework s,MOFs)由于其高比表面积、高孔隙率和可调控的化学结构等独特的物理化学性质而被广泛应用于各领域,当然也包括环境领域。在本研究中我们设计了两种系列的MOFs材料,MIL-100(Fe)和ZIF-67,对它们的物理化学性质及对Cr(Ⅵ)吸附能力进行了研究。在第二章,我们通过改变MIL-100(Fe)合成过程中所需的矿化剂(如碳酸钠Na2CO3、氢氟酸HF、四甲基氢氧化铵TMAOH以及不加任何矿化剂),利用水热合成法合成了四种不同的MIL-100(Fe)材料。表征结果表明用Na2CO3做矿化剂制备的MI L-100(Fe)具有较好的结晶度、纯度、热稳定性和水稳定性,以及较高的比表面积。吸附实验结果发现MIL-100(Fe)Na2CO3对Cr(Ⅵ)的吸附效果更好,其吸附过程符合Langmu ir模型和准一级动力学。用0.01M的氢氧化钠溶液对吸附Cr(Ⅵ)后的MIL-100(Fe)Na2CO3进行脱附再生实验,4小时后脱附率达到73%,4次循环实验后MIL-100(Fe)Na2CO3的吸附量还能保持70%。基于MIL-100(Fe)Na2CO3优良的物理化学性质及对Cr(Ⅵ)优秀的吸附性能,以Na2CO3作为矿化剂制备MI L-100(Fe)可以作为一种具有替代性的、优选的制备方法。在第三章,我们根据高毒性Cr(Ⅵ)可被还原成低毒性Cr(III)的性质,设计了一种可同时对Cr(Ⅵ)进行吸附和还原作用的核壳材料NZⅥ@ZD。将NZⅥ封装在ZIF-67壳中,然后通过高温炭化形成NZⅥ@ZD材料。高温炭化后,ZIF-67壳转化成多孔石墨化碳,而NZⅥ和炭化过程中生成的钴纳米粒子均匀地分散在多孔碳基体中。由于其高比表面积和大孔径,Cr(Ⅵ)可以很好地扩散进入NZⅥ@ZD内部,有利于其吸附Cr(Ⅵ)。吸附实验结果表明NZⅥ@ZD对Cr(Ⅵ)的最大吸附量高达226.5mg g-1,远远高于ZIF-67的29.35mg g-1和NZⅥ@ZIF-67的36.53mg g-1。表面电位测定和X射线光电子能谱测试结果表明Cr(Ⅵ)在NZⅥ@ZD上的吸附作用包括静电吸引、化学还原及沉淀,该吸附过程可将吸附在NZⅥ@ZD上的Cr(Ⅵ)转化为低毒性的Cr(III),然后通过沉淀而达到固定化的效果。该磁性核壳材料NZⅥ@ZD相较于其他材料对Cr(Ⅵ)具有非常优异的吸附性能,可认为其在Cr(Ⅵ)废水治理方面具有巨大的潜力。综上所述,这两种系列MOFs材料,MIL-100(Fe)和ZIF-67对重金属Cr(Ⅵ)具有显著的吸附能力,可作为理想的处理含Cr(Ⅵ)废水的吸附剂。
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