从水溶液中去除砷使用基于金属有机框架的石墨烯吸附剂:综合分析

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砷因其高毒性和高流动性成为当前水环境治理的难题之一,研究与开发具有优良性能的去除砷的吸附剂是控制水环境砷污染的关键。本论文采用基于功能化的MOF石墨烯与两种对水稳定的铁基MOFs和锌基MOFs合成了MIL100(Fe)/rGO/δ-Mn O2和Zn-MOF-74/rGO/PAM纳米复合材料,应用于吸附去除水中砷,探讨了去除水溶液中三价砷(As(III))和五价砷(As(V))的机理。铁基金属有机框架(MOF)(Institut Lavoisier:MIL-100(Fe))还原氧化石墨烯(rGO)使其功能化,然后用一锅反应法制备了水钠石型氧化锰(δ-Mn O2)。通过多次平衡研究来充分评价MIL100(Fe)/rGO/δ-Mn O2纳米复合材料对As(III)和As(V)的吸附。分析了溶液p H、接触时间、吸附剂剂量、温度、初始浓度、干扰离子等操作因素对As(III)和As(V)吸收的影响。吸附剂材料在p H为2时对As(III)的吸附容量为192.67 mg/g,对As(V)的吸附容量为162.07 mg/g。由于含有还原氧化石墨烯薄片,该复合材料在p H 2-9溶液中表现出有效的吸附。吸附机理符合准二级动力学模型和Langmuir等温线模型,证实了化学吸附和单分子层吸附。促进As离子吸附的主要过程有静电作用、氧化作用和球内表面络合作用。通过将锌基金属有机骨架颗粒与聚丙烯酰胺聚合物(PAM)结合来桥接还原氧化石墨烯薄片,制备了石墨烯增强的MOFs复合材料。采用Zn-MOF-74/rGO/PAM吸附剂有效去除水中As(III)。在15分钟内,在0.2 mg/L溶液中去除超过99.8%的As(III),达到可饮用水平。实验数据动力学数据很好地拟合了伪二级动力学模型。根据Langmuir模型,在p H为10,45℃条件下,(qmax)的吸附容量为282.4mg/g。高效吸附的原因通常是As离子与吸附剂表面大量官能团的相互作用,氨基连接到金属团簇上,羟基广泛分布在还原氧化石墨烯薄片上,更容易被吸附。FTIR和XPS结果表明,As(III)通过螯合和离子交换吸附在复合材料上。根据热力学数据,反应是吸热自发的。该复合材料的p H稳定性、选择性和可重复使用性都很好。基于以上实验结果并得出结论,MOF基石墨烯纳米复合材料对于砷的吸附能力比传统吸附剂大得多。此外,两种吸附剂均表现出较高的吸附容量、吸附选择性和再生能力,以上特征都是整个过程中需要考虑的重要因素。同时我们总结了解决新型MOFs/rGO复合吸附剂的一些方法,包括:(1)通过添加官能团提高MOFs的耐久性;(2)改变超高孔隙率MOFs的体系结构,更好地优化分散在表面形态中的众多吸附位点;(3)开发MOF基石墨烯纳米复合材料,提高可回收性和可重复利用性;(4)通过控制形状和结构可以获得更多的活性吸附位点。
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