磁性MOFs纳米材料的制备及除藻特性研究

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随着社会的持续发展和人类开发利用活动的不断增加,导致水体富营养化现象日趋严重,“水华”的爆发也日趋频繁,由此引发了水体生态系统严重受损和藻毒素释放等水质污染问题,严重威胁着人畜及水生生物的健康。而由于藻类自身的结构特性导致了这种含藻水处理难度的增加,因此成为水污染领域的研究者们亟待解决的问题。吸附絮凝除藻作为一种应急除藻方法,由于其高效、无二次污染和易于实际应用等优势,受到了日益广泛的关注。磁性MOFs纳米材料作为一种新型环保节能的除藻材料应运而生。本课题主要研究了以下内容:1)采用溶剂热法制备磁性纳米粒子Fe3O4,采用X射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、磁性测试(VSM)和热重分析(TGA)对Fe3O4的结构和性质进行了表征。2)采用聚电解质(PSS)修饰法在已制得的磁性纳米粒子Fe3O4表面进行金属有机骨架材料ZIF-8的包覆,制备了磁性核壳MOFs材料Fe3O4@ZIF-8,利用磁性可以进行分离,使除藻材料具备了可回收利用的优异性能。采用X射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、磁性测试(VSM)、N2吸附-脱附(BET)和热重分析(TGA)对磁性MOFs材料Fe3O4@ZIF-8的结构和性质进行了表征。3)利用BG-11培养基培养铜绿微囊藻(编号为FACHB-942),并研究磁性核壳MOFs材料Fe3O4@ZIF-8去除铜绿微囊藻的效能。通过测定叶绿素a的含量来计算其除藻率,实验研究了除藻材料Fe3O4@ZIF-8的浓度、作用时间、pH值、温度及水体离子强度对除藻效果的影响,确定了最佳除藻条件;同时对除藻材料Fe3O4@ZIF-8的回收循环利用效果进行研究,探索了不同回收次数的除藻率。4)利用X射线衍射仪、红外光谱仪、Zeta测定仪和各种显微镜等仪器,表征分析了Fe3O4@ZIF-8除藻前后藻细胞和除藻絮体的形态及结构等变化,确定了Fe3O4@ZIF-8的除藻机理;利用拟一级和拟二级两种动力学模型,探究了其吸附絮凝铜绿微囊藻的动力学行为;使用Langmuir和Freundlich两种吸附等温方程对其吸附平衡实验数据进行拟合,确定了其吸附等温线模型。研究表明,制备的磁性MOFs材料Fe3O4@ZIF-8,具有明显的核壳结构,粒径均一,在600 nm左右,且材料仍保持较高磁性54.8 emg/g,使其具备了可回收的优异性能,在四次吸附脱附后,除藻率仍保持在70%左右。Fe3O4@ZIF-8吸附絮凝铜绿微囊藻的量为0.58124 mg/g的单位吸附量;最佳材料浓度为0.8 g/L,最佳作用时间为30min;通过其除藻机理的探究,得知除藻材料Fe3O4@ZIF-8是通过电荷中和作用吸附絮凝藻细胞的;通过数据拟合表明其吸附絮凝行为符合二级吸附絮凝动力学和Langmuir吸附等温线模型。因此,使用磁性MOFs材料除去富营养化水体中的藻类是一个迅速高效的过程。
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