用于吸附及光催化处理染料废水的配合物合成及性能研究

来源 :北京建筑大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:slowfast1981
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日趋严峻的水环境污染问题给传统的水处理技术带来了极大的挑战,近些年来,材料技术的发展为水环境问题的解决提供了新的技术手段,即利用具有降解或/和吸附有机污染物功能的新型环境材料来协助传统水处理工艺解决水污染问题。因此新型环境材料的研发成为水处理新技术应用的关键。功能性配合物是由金属离子和有机配体组合而成的一类新材料,通过调节金属离子和有机配体的组成可使配合物形成不同的结构,甚至可以形成具有规整孔道的金属-有机骨架结构。通过调节该类化合物的结构可使其具有不同的功能性质。目前,研究人员已将配合物作为环境工程材料,在气体存储与分离、催化、污染物捕捉等领域广泛应用。本论文根据晶体工程学设计原理,利用水热法成功合成出6种新型功能配合物,对其进行结构和性能表征,通过选择典型染料作为吸附或光催化降解靶物,验证了不同配合物的吸附或光催化性能,并探究了吸附或光催化处理染料废水的机理。本论文的主要研究成果如下:1.利用水热法合成一种具有吸附及分离效果的新型钼多酸配合物—(C5H7N24[Mo8O26](配合物1),对其进行结构分析及性能表征。通过探究配合物1对亚甲基蓝(MB)、罗丹明B(RhB)和甲基橙(MO)等3种典型有机染料的吸附性能,验证其对染料的吸附效果。系统探究了配合物1对MB的吸附过程,包括染料初始浓度、配合物(吸附剂)用量及温度等因素对吸附效果的影响,对其吸附过程的动力学模型及热力学参数的拟合与计算。分别以MB/MO混合液和MB/RhB混合液为待处理液,探究配合物1对混合液的选择性吸附分离效果。并以配合物1为填料制作固相萃取(SPE)小柱来验证配合物的快速分离性能。结果表明配合物1对MB的吸附过程符合兰格缪尔(Langmuir)等温线模型,其吸附动力学过程可用伪二级动力学方程描述,吸附过程对应的Gibbs自由能变((35)Gθ)小于0,表明吸附过程是自发的;焓变(ΔHθ)和熵变(ΔSθ)大于零,说明吸附过程是一个吸热、自由度逐渐增加的过程。用配合物1作为填料制备的SPE小柱能通过选择性吸附而实现混合染料的快速分离,且能够循环利用。2.以d10族金属为中心离子,分别选用1,10-菲罗啉(phen)和具有多种配位模式的2,2’3,3’-氧双邻苯二甲酸(2,2’3,3’-odpt)、3,5-二(3,4-二羧基苯氧基)苯甲酸(dcpb)、1,3-(3,4-羧基苯氧基)苯甲酸(cpb)为配体,利用晶体工程学设计原理,合成四种具有光催化性能的配位聚合物,分别命名为[Co2(phen)4(2,2’,3,3’-H2odpt)2]·14H2O(2)、[Co2(phen)4(H4dcpb)2]·14H2O(3)、和[Cu(phen)(Hdcpb)](4)、[Mn(phen)2(H2cpb)](5)。并对合成的四种配位聚合物进行单晶X-射线衍射、傅里叶红外变换光谱、元素分析、紫外-可见漫反射等结构及性能表征。分析测试结果可以发现,配合物2和配合物3为同构体,是以一个离散的中性[Co2(phen)4(L)2](L=2,2’3,3’-odpt(2),L=dcpb(3))和水分子为单元结构,进而通过大量氢键的相互作用形成三维框架结构。配合物4是由离散的中性单元结构[Cu(phen)(Hdcpb)]通过π-π堆积作用形成一个三维框架结构。配合物5包含一个中性的[Mn(phen)2(H2cpb)]一维螺旋链状结构,螺旋链之间通过大量氢键相互作用形成一个三维框架结构。实验探究了配合物2-5在紫外光下光催化降解亚甲基蓝(MB)和甲基橙(MO)的性能,结果表明配合物5可以有效的降解MB和MO。配合物2-5对染料不同的降解效率表明HOMO-LUMO带隙理论可以用来解释配位聚合物光催化降解有机污染物的过程。3.利用晶体工程学原理,分别选择适当的金属离子和有机配体作模板和构件,合成一种具有光催化性能并对混合染料中单一染料具有优先光催化降解效果的锌系配合物[Zn2(odpt)(bipy)(H2O)](bipy)0.5(6)(H4odpt=4,4’-oxidiphthalic acid,bipy=4,4’-联吡啶)。对配合物6进行表征,包括:傅里叶红外变换光谱、晶体结构解析、紫外-可见漫反射光谱、热重、粉末X-射线衍射光谱、Zeta电位等。实验选取MB、MO以及MB和MO的混合染料溶液为目标降解物,验证配合物6的光催化性能以及优先光催化性能。通过循环实验探究配合物6的稳定性,并通过羟基自由基捕捉实验,提出并验证了配合物6光催化降解染料废水可能的反应机理,以期为配合物光催化降解染料废水提供技术基础和理论依据。
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