钛/钴掺杂的UiO-66对废水中染料的吸附性能研究

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染料废水污染是目前水环境污染的来源之一。对染料废水的控制除了从工业源头改造减负以外,高效便捷的出水处理也是关键。在众多处理染料废水的方法中,吸附法具有高效性、经济性、和环境友好等特点。作为被广泛关注的吸附材料,金属有机骨架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)由于自组装金属簇团和有机配体的多样性,在孔结构和比表面积的调控上有显著优势。UiO是以锆和二羧酸配体构建而成的三维多孔纳米结构,作为一种稳定性异常优良但对染料的吸附能力却有待提高的子类MOFs材料,近年来在材料科学领域被不断深入研究。论文在UiO-66的结构基础上制备合成了金属掺杂的改性UiO-66,旨在保留水稳定优势的同时提升其对染料的吸附性能。主要的研究内容和结论如下:(1)通过溶剂热法在冰乙酸改性的条件下制备合成了新型Ac-UiO-66纳米颗粒。使用冰乙酸和钛/钴金属双向配位竞争锆和对苯二甲酸,产生缺陷结构,最终制备出钛掺杂的Ac-Ti/UiO-66和钴掺杂的Ac-Co/UiO-66。(2)采用XRD、SEM证明了材料主体结构的成功合成以及金属掺杂后材料粒径的减小。三种材料的N2吸附-解吸曲线是典型的IV型曲线。掺钴材料的比表面积达到869.72 m~2/g,是三者中的最大值。XPS分析发现掺钴材料表面锆钴元素比约为12:1;掺钛材料表面锆钛元素比约为0.75:1。钴在UiO-66是低掺杂高分散的状态,而钛在配位过程取代了大量的锆。(3)研究Ac-UiO-66、Ac-Ti/UiO-66、Ac-Co/UiO-66对于直接翠兰的吸附效果。三者在约60分钟的吸附后趋近平衡。吸附动力学皆拟合拟二级动力学模型,化学吸附是主要的速率控制步骤。非掺杂和掺钴吸附剂的吸附等温线拟合Langmuir模型,吸附过程是单层吸附。掺钛吸附剂对Langmuir和Freundlich模型的拟合优先程度不明显。由于异相同族金属掺杂体系中样品晶格的收缩,其活性位点分布的均匀程度可能不佳。从热力学模型上看,三者的吸附行为基本可以自发进行。298 K时,非掺杂、掺钛和掺钴材料对直接翠兰的Langmuir饱和吸附量分别为:48.0 mg/g、158.4 mg/g、378.3 mg/g。(4)Ac-Co/UiO-66在吸附容量和重复利用性能中表现更优异。为了考察其对其他染料的吸附性能,选择阳离子染料亚甲基蓝和另外两种阴离子染料达旦黄和刚果红作为吸附对象。阴离子染料的吸附动力学和等温线拟合拟二级动力学模型和Langmuir模型。因此判断阴离子染料的吸附过程以化学吸附为主,被吸附的染料分子是相对独立的,是单层吸附。对染料的吸附量在酸中性环境中震荡,碱性环境吸附量迅速降低。在不同共存盐离子影响下的吸附量呈现以下的顺序:Na Cl≈KCl≈NaNO3
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