功能化金属有机骨架材料的快速制备及吸附性能研究

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随着工业经济的快速发展,温室效应、重金属离子污染、染料废水污染带来了较为严重的环境问题,常常采用吸附法进行处理。金属有机骨架材料(MOFs)作为一种新型的功能型多孔材料,具有比表面积大、孔径可剪裁、骨架可功能化等优点,为CO2吸附、重金属离子及印染废水的处理提供新的途径。快速制备金属有机骨架材料具有重要的意义,微波法、微波超声联用法能够调控材料尺寸和形状,加速晶体的形成,具有经济高效的优点。本论文采用微波、微波-超声波两者联用等方法,利用不同结构的有机配体,快速制备了功能化的金属有机骨架材料,并应用于CO2气体吸附,染料吸附,重金属离子吸附等方面。本论文的主要研究内容和结果如下:1.采用超声-微波联用法,以2氨基对苯二甲酸为有机配体,25min内就可以快速制备氨基功能化的MIL-53(Al)金属有机骨架材料,而水热反应则需要72h。热失重结果表明氨基功能化的MIL-53(Al)具有较好的热稳定性,可以耐受410℃;微观形貌表明制备的材料尺寸较小。氨基功能化MIL-53(Al)对CO2具有较好的吸附能力,低压下298 K温度时吸附容量可以达到33.86 cm3 g-1,经过5次循环实验,吸附容量降低为原来的88%左右,说明氨基功能化的MIL-53(Al)具有较好的重复利用性能和化学稳定性。2.采用微波法快速制备了氨基功能化Zr基金属有机骨架材料,制备过程只需要20 min,而水热法则需要24h。热失重结果表明制备的NH2-Ui0-66材料热稳定性较好,可以耐受550℃C左右,其尺寸在300nm-500nm左右,比表面积可达924.3m2 g-1。制备的氨基功能化金属有机骨架材料表现出对亚甲基蓝较强的吸附能力,吸附速度较快,吸附模型为Langmuir吸附,可以用作废水中染料等污染物处理的吸附剂。3.采用不同的功能化有机配体对苯二甲酸、二氨基对苯二甲酸、2,5--羟基对苯二甲酸、2,6萘对苯二甲酸、4,4联苯对苯二甲酸分别与ZrCl4反应制备了系列功能化Zr基金属有机骨架材料,并分别进行了表征。结果表明,制备的系列Zr基金属有机骨架材料的拓扑学结构相似,比表面积随着氨基链的增长而降低。将制备的系列功能化材料应用于CO2气体的吸附实验,NH2-UiO-66的吸附容量最大,最差的为UiO-66-BPDC。氨基功能化的NH2-UiO-66吸附容量达到3.35mmolg-1,等温吸附热Qst为26.90kJ/mol,能耐受5次循环使用,可以作为CO2气体的吸附剂。4.以巯基乙酸改性的Fe3O4为核,制备了Fe3O4/NH2-UiO-66的磁性金属有机骨架材料,随着Fe3O4含量的增加,比表面积由1425m2 g-1降低为591 m2g-1,展示了较好的磁性。以制备的磁性金属有机骨架材料对水中重金属离子进行吸附性能研究,结果表明,对Hg2+具有良好的选择性吸附和磁分离能力,循环使用5次还具有较强的吸附能力。5.通过后合成离子调控的方法制备了Ti(Ⅳ)离子掺杂的NH2-UiO-66金属有机骨架材料,XRD结果表明,Ti(Ⅳ)离子调控并没有改变NH2-UiO-66的结构,离子调控后耐热性能降低,晶粒之间存在凝聚物,但形貌结构并没有明显变化。以Ti(Ⅳ)离子调控后NH2-UiO-66金属有机骨架材料对CO2进行吸附性能研究,结果表明,离子调控调整了NH2-UiO-66孔径,限制了CO2分子运动,吸附能力提高。
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