论文部分内容阅读
油气是经典挥发性有机物(Volatile organic compounds,VOCs)组分,大气的主要污染源之一。油气主要成分包括烷烃类,芳烃类和醇类有机物,一般将正己烷视为烷烃类代表。正己烷污染问题渗透于人类活动中的方方面面,与人类生活息息相关,治理正己烷污染问题迫在眉睫。治理正己烷的较优选择是吸附法,吸附剂性能决定吸附效率。金属有机框架(MOFs)是一种新兴纳米材料,因其大的比表面积和孔容、可调节的孔径和热稳定性好等优点前景光明,对正己烷的吸附能力很强。但是多数MOFs存在水稳定性差这一缺陷。MOFs多为晶体以粉末形式存在,在实际应用特别是循环吸附过程中,当吸附床填充粉末后,会发生堵塞,引发一系列事故。针对以上问题,对其中一种经典MOFs材料Cu-BTC进行复合改性,以提高其水稳定性;将一系列M-BTC与海藻酸盐进行复合,得到颗粒产物。主要研究及结果如下:(1)利用水热法合成Cu-BTC,对其进行N2吸附等温线、傅里叶红外光谱衍射(FT-IR)、X-射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)测试。373 K,10 h是Cu-BTC生长的合适条件,Cu-BTC具有I类等温线是微孔材料,BET比表面积为1663 m2·g-1。XRD和FT-IR表明合成样品其具备Cu-BTC的特征峰和官能团。热稳定性良好,600 K时仍未热分解。在使用前400 K热处理,可去除杂质提高使用效果。(2)利用水热法将活性炭(AC)按照Cu-BTC原料的质量比(5%,7%,10%)进行复合,得到一系列复合物AC/Cu-BTC。XRD图像表明AC的加入没有阻碍Cu-BTC晶体的生成,FT-IR图像表明Cu-BTC和AC之间没有生成新的官能团。对AC/Cu-BTC进行了正己烷蒸气吸附实验,以及先吸水蒸汽再吸附正己烷蒸气实验。对吸水后的AC/Cu-BTC进行了XRD、SEM测试。吸附水蒸汽后,Cu-BTC失去其特征峰,而AC7%/Cu-BTC完好保留特征峰。吸水后Cu-BTC的SEM表明,Cu-BTC晶体出现裂痕,晶体崩塌;AC7%/Cu-BTC的晶体图像表面出现水侵蚀的痕迹,没有明显裂痕。新鲜Cu-BTC对正己烷蒸气的吸附能力大于AC/Cu-BTC的,吸水后,AC7%/Cu-BTC对正己烷蒸气的吸附能力是Cu-BTC的3倍。(3)基于离子交联原理,将几种常见MOFs材料Cu-BTC,Zn-BTC,Cr-BTC与Fe-BTC几种MOFs材料与不同浓度的海藻酸盐(alginate)复合,形成M-BTC/alginate,在353 K下干燥得到颗粒状MOFs。由N2等温线得到M-BTC/alginate比表面积和孔径参数。海藻酸盐浓度影响M-BTC/alginate比表面参数。FT-IR结果表明,M-BTC/alginate的特征峰从1602移至1636、1644和1628 cm-1,可能是金属离子与相邻海藻酸盐分子连接。将M-BTC/alginate用于吸附正己烷蒸气,Fe-BTC/alginate表现最好,Cr-BTC/alginate最差。5次吸-脱附循环后,Fe-BTC/alginate保存初始吸附量的70%,其他三种M-BTC/alginate再生性较差。M-BTC/alginate的吸附能力由比表面积、对正己烷分子的亲近性、材料稳定性共同决定。(4)将Cu-BTC与氧化石墨烯(GO)进行复合,按照Cu-BTC质量比的0.5%、2%、5%加入GO,得到GO/Cu-BTC。由N2等温线得到GO/Cu-BTC比表面积参数。GO是二维片状材料,为Cu-BTC晶体生长提供基底,提高Cu-BTC的比表面积。XRD表明GO不会阻碍Cu-BTC晶体生成。GO/Cu-BTC吸附甲醇、乙醇、正己烷蒸气和CO2。GO/Cu-BTC对甲醇蒸气的吸附能力提高了9.22%,对乙醇蒸气提高了16.45%。GO/Cu-BTC对CO2的吸附能力无显著提高。GO显极性,借助官能团与Cu-BTC连接,强化Cu-BTC的极性。甲醇和乙醇是极性分子,故GO/Cu-BTC对甲醇和乙醇蒸气的吸附能力提高。CO2是非极性分子,GO/Cu-BTC的极性增强,对非极性分子的吸附能力未必能增强,CO2的吸附量无明显变化。