论文部分内容阅读
金属有机骨架(MOFs)因高的比表面积,可调节的结构和孔道、优异的稳定性等独特的属性,逐渐在催化、气体存储、分离、传感等领域显现出巨大的潜力。此外,近年来已有许多关于MOFs作为吸附剂回收各种介质中的金属离子的研究报道。但是,因其缺乏选择性、回收困难、吸附量低等缺点,金属有机骨架材料的实际应用受到限制。因此,为了解决这些问题,本文选择水稳定性好的金属有机骨架材料UiO-66-NH2作为基体材料,通过设计合成一系列复合材料,并将其应用于水中稀土、稀散元素的吸附分离。具体研究内容如下:1、本章选取活性位点丰富的ZIF-8和水稳定性良好的UiO-66-NH2(U6N)作为基体材料,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为表面活性剂,合成一系列金属有机骨架复合材料。实验探究合成条件(PVP、甲醇用量)对于复合材料形貌以及对稀土吸附性能的影响。研究发现,当PVP加入量为20 mg,甲醇加入量为29 mL,合成的金属有机骨架复合材料(U6N@ZIF-8-20)展现出独特的3D木耳状核壳结构,并且对稀土元素具有卓越的吸附能力和吸附速率,优于大多数现已报道材料的吸附性能。U6N@ZIF-8-20 对稀土元素 Nd(Ⅲ)、Eu(Ⅲ)、Gd(Ⅲ)和 Er(Ⅲ)的吸附等温线符合langmuir吸附等温模型,饱和吸附量分别为249.90、295.28、316.22和340.95 mgg-1。U6N@ZIF-8-20对稀土元素的吸附随时间变化的非线性拟合符合拟二阶动力学,且10分钟能够达到吸附平衡。在共存离子溶液中,U6N@ZIF-8-20对稀土元素表现出良好的选择性。通过XRD和FT-IR谱图分析,U6N@ZIF-8-20在pH 2-12的水中浸泡24小时,仍能保持良好的晶体结构,表明其酸稳定性范围比单一的ZIF-8更广。且经过4次循环洗脱,对稀土元素的吸附仍能达到80%以上且晶体结构良好,证明该复合材料具有很好的实际应用价值。2、为了改进因粉末状的金属有机骨架复合材料在液相分离中难,循环性能差的缺点,本章用3,4,5-三羟基苯甲醛(THB)对稳定性良好的UiO-66-NH2进行后合成修饰以引入丰富的羟基,随后与聚氨酯(TPU)复合通过静电纺丝制备功能化UiO-66-NH2 复合膜 TPU/0.1THB/U6N-1.5。根据 SEM、FTIR、XPS、XRD 表征分析,证明TPU/0.1THB/U6N-1.5复合膜成功合成。根据SEM图、比表面积和表面官能团滴定结果分析发现当THB的加入量为0.1 g,THB功能化的U6N加入量为1.5 g时,功能化金属有机骨架复合膜对镓吸附效果最佳。在最佳pH为10,平衡时间为8h,温度为25℃,TPU/0.1THB/U6N-1.5对Ga(III)的吸附数据符合Langmuir模型和拟二级动力学模型,其最大吸附量为96.18 mg g-1。TPU/0.1THB/U6N-1.5复合膜因其保留着U6N和TPU的稳定性表现出优异的水热稳定性。功能化金属有机骨架复合膜TPU/0.1THB/U6N-1.5的长时间过滤对水通量和金属离子去除率无明显影响,水通量最高可达到1189.63 L m-2h-1。TPU/0.1THB/U6N-1.5经5次循环洗脱仍能达到90%左右的吸附率,同时也能在六元混合离子体系中选择性吸附镓离子,表明功能化UiO-66-NH2复合膜在回收水溶液中的镓离子方面具有很大的潜力,且相比上一章的吸附剂在实际循环应用中稳定性得到很大的提高。本文在液相分离富集稀土、稀散镓领域提出了新思路和方法,对实现绿色可持续发展具有重要现实意义。