基于UiO-66-NH2复合膜的制备及在水处理中的应用

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水环境污染与水资源短缺问题是全球面临的困难与挑战。膜法水处理作为新一代环保的水处理技术受到广泛应用与发展。高分子膜由于自身的限制,需要对其性能进一步优化与提高以应对实际需求。纳米材料的引入能极大程度改善高分子膜的分离性能与抗污染能力。金属有机框架(MOFs)作为一类由金属离子与有机链接结合而成的框架结构材料,具有高表面积和孔隙体积,低密度,丰富的吸附位点等特点。部分水稳定MOFs因其结构特点以及吸附,催化等特性在水处理中得到了充分应用。通过选择合适的MOF材料——UiO-66-NH2,在该材料的基础上,分别制备了以吸附特性,光催化特性以及物理结构为分离净化机制的纳米复合膜。将制得的三种纳米复合膜分别应用于不同类别的废水处理中,评价相应纳米复合膜的分离净化性能。本文的具体研究内容如下:(1)通过结合UiO-66-NH2与聚丙烯酸(PAA)获得了 PAA@UiO复合材料,将PAA@UiO嵌入GO纳米片中制备了 PAA@UiO/GO复合膜。PAA@UiO的加入一方面扩大了 GO纳米片之间的层间距,形成扩大的水通道,有助于水分子的通过;另一方面,PAA@UiO在GO纳米片间水平分布,通过截留与吸附增强了复合膜对于染料分子的去除效果。制备的PAA@UiO/GO复合膜在对MB、CR以及RB三种染料分子进行分离实验时去除率接近100%且通量均达到约100 L·m-2·h-1。PAA@UiO/GO分离膜在具有一定酸碱性或离子强度的水环境中对三种染料分子均能保持良好稳定的去除率。使用制备的复合膜分别对三种染料废水进行10次循环分离实验后,PAA@UiO/GO复合膜对三种染料的去除率与通量均能分别保持在95%与85 L·m-2·h-1以上。(2)通过将碳酸银(Ag2CO3)沉积在UiO-66-NH2上制备了具有良好可见光响应的AgCO@UiO光催化复合材料。将AgCO@UiO嵌入GO纳米片中获得了 AgCO@UiO/GO光催化复合膜。AgCO@UiO的加入能够扩大GO纳米片之间的水通道,并且UiO-66-NH2的存在能够截留与吸附部分污染物。具有光催化性能的AgCO@UiO也能够在膜内水通道与膜表面对有机污染物进行光催化降解以及对高价重金属进行还原。其中,GO能够进一步促进光生电子空穴的分离,增强光催化效果,从而增加膜对污染物的去除效果。在光照条件下,AgCO@UiO/GO光催化复合膜对MB、RB、MR以及Cr(Ⅵ)的去除率接近100%,通量能够达到50 L·m-2·h-1。以三种染料以及Cr(Ⅵ)为污染物在有无光照条件下分别进行了持续10次的过滤实验,发现光照条件下AgCO@UiO/GO复合膜对污染物的去除率均高于无光照条件,前者最终的通量损失率低于10%,而后者达到30%左右。(3)通过壳聚糖(CS)将UiO-66-NH2负载于高分子膜上制备了用于油水分离的UiO/CS复合膜。UiO-66-NH2表面的大量氨基与其框架结构能够很好的使水分子透过,从而保留油滴。UiO/CS复合膜在极端酸碱性或高盐度水环境中均表现出良好的稳定性。在以二氯甲烷、石油醚、十二烷以及汽油为油类的油水乳液为分离对象时,UiO/CS复合膜表现出明显优于原始高分子膜的去除性能。以汽油类油水乳液为去除对象,在经过10次循环实验后,UiO/CS复合膜的通量最终能保持在500 L·m-2·h-1左右,而原始高分子膜的通量仅约100L·m-2·h-1。
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