调控Zr-MOFs晶面缺陷及其去除重金属离子性能的研究

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随着近现代工业的迅猛发展,水体中不可避免的被各种途径产生的成千上万种有毒有害物质所污染,通过水的循环对整个生态系统造成破坏。在这当中的重金属离子砷(As)还有锑(Sb)对于人类健康和生态环境的危害非常严重。因此,探索高效、无二次污染去除重金属的方法对于废水处理工作十分重要。为实现这一目标,本课题采用官能团修饰、煅烧和稀土掺杂的方法对Zr-MOFs的晶面进行调控,围绕其暴露的优势吸附晶面对砷As(Ⅲ)、As(Ⅴ)和锑离子Sb(Ⅲ)、Sb(Ⅴ)的吸附性能展开研究,研究的主要内容如下:(1)制备ZrO(OH)2,UiO-66,UiO-66-NH2和UiO-66-SH分别在900℃的温度下煅烧处理,诱导其形成不同暴露优势晶面的单斜晶型氧化锆,利用暴露的优势{111}晶面提高吸附剂对水体中砷的吸附能力。等温吸附实验表明煅烧后的Zr-MOFs中巯基修饰的UiO-66在900℃煅烧后最佳吸附性对三价砷As(Ⅲ)和五价砷As(Ⅴ)离子分别为81.77mg/g和85.90mg/g。吸附的过程通过动力学拟合比较符合准二级动力学的模型,并且通过Dubinin-Radushkevich(D-R)的等温模型计算以及DFT方法的理论计算,结果均证实了其吸附过程为化学吸附。由于煅烧后ZrO2材料的比表面积和孔径大幅缩小,通过相关性系数分析吸附性能的改变以及对砷吸附的优势可以归因于暴露了缺陷{111}晶面,进一步排除物理吸附对吸附过程的影响。本实验采取了BET比表面积测试、扫面电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)这些表征方法。(2)水热法制备稀土掺杂的UiO-66@Sm、UiO-66@Eu、UiO-66@Er和UiO-66@Tm,以上材料对重金属Sb(Ⅲ)的吸附容量分别为165.8 mg/g,162.2 mg/g,92.2 mg/g和94.8 mg/g;对Sb(Ⅴ)的吸附容量分别254.3mg/g,241.6mg/g,84.8mg/g和86.2mg/g。实验表明,吸附动力学拟合的结果符合准二级动力系方程,表明吸附过程为化学吸附。通过XRD表征其晶型与标准的UiO-66相符合。BET比表面积测量证实了UiO-66@Sm,UiO-66@Eu,UiO-66@Er和UiO-66@Tm的比表面积与文献中UiO-66的比表面积相比减小了,分别为424.30 m2/g,410.98m2/g,618.96 m2/g和563.74 m2/g。对照其他文献中报道的UiO-66,在相近的比表面积下以及相似的晶型下钐掺杂的UiO-66@Sm和铕掺杂的UiO-66@Eu相比之下有更好的吸附效果。采用900℃煅烧处理以上稀土掺杂的UiO-66,然而,在经过900℃煅烧后得到的ZrO2稀土掺杂材料对As(Ⅴ)的吸附效果反而大幅下降,其原因有待进一步探索。Zr-MOFs所合成ZrO2材料和稀土掺杂材料都具有良好的酸碱稳定性和热稳定性能有效对砷和锑进行去除,并且性能优异,属于环境友好型材料。
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