氧化石墨烯-锆基金属有机框架复合材料对水中Sb(Ⅲ)的吸附研究

来源 :湖南农业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:xxxmmm1236
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近年来,氧化石墨烯-锆基MOFs复合材料因其易于被化学修饰、有开放的有机金属结合位点、较高的稳定性,被广泛应用于治理重金属废水,但是,以粉末形式存在的吸附材料存在完成废水处理后回收困难的问题。因此,本论文以含锑模拟废水为研究实验对象,以氧化石墨烯为该废水吸附剂的主要原材料,采用锆基MOFs进行改性后,将氧化石墨烯-锆基MOFs材料与传统壳聚糖-蒙脱石吸附剂进行复合,形成复合水凝胶,以此得到一种具有高效吸附性能且便于回收的新型吸附材料。通过吸附实验材料制备、仪器测量分析、吸附热力学与动力学结果拟合分析等综合研究手段,分别探究了蒙脱石、壳聚糖、石墨烯、氧化石墨烯-锆基MOFs和复合水凝胶对水中锑及氧化锑的综合吸附作用,主要研究结论如下:(1)通过溶剂热法和原位生长法,对锆基MOFs材料进行制备和改性,分别制备出UiO-66、UiO-66-NH2,以氧化石墨烯(GO)为基链,与锆基MOFs改性材料复合得到GO@UiO-66-NH2,将GO@UiO-66-NH2与矿物材料蒙脱石、羧甲基壳聚糖复合得到水凝胶。采用X射线衍射仪(XRD),红外光谱扫描仪(FTIR)及扫描电子显微镜(SEM)对氧化石墨烯及复合改性材料进行分析比较,结果表明,GO的多孔片层结构上存在有大量极性含氧官能团,UiO-66是由八面体纳米结构堆叠的晶体,与UiO-66-NH2的结构基本相似,在GO@UiO-66-NH2和复合水凝胶中,锆基MOFs随机生长在GO表面,两种材料在制备过程中保持了GO与锆基MOFs材料的原有结构。(2)将上述制备材料作为吸附剂,探究对水中重金属污染物Sb(Ⅲ)的吸附性能。GO@UiO-66-NH2对Sb(Ⅲ)的最大吸附容量为161.07 mg/g,比UiO-66-NH2的最大吸附量(111.81 mg/g)高出近一半,吸附量的增加主要是由于氨基和GO增加了材料的吸附活性位点。基于氧化石墨烯的复合水凝胶的最佳吸附条件下,去除率达到88.80%。UiO-66-NH2和GO@UiO-66-NH2均在pH为4.5时(初始浓度5 mg/L,投加量0.8 g/L)达到最大吸附量5.58 mg/g和6.07 mg/g,复合水凝胶在pH为2.5时(初始浓度5 mg/L,投加量0.8 g/L)达到最大吸附量4.63 mg/g。吸附材料的投加量、吸附时间及吸附温度增加时,去除率与吸附量也会随之升高,溶液初始浓度的升高,去除率降低。(3)吸附等温线、吸附热力学、吸附动力学表明Sb(Ⅲ)在UiO-66-NH2和GO@UiO-66-NH2上的吸附符合Langmuir吸附等温模型和准二级动力学模型,基于氧化石墨烯的复合水凝胶符合Freundlich、Langmuir吸附等温模型和准二级动力学模型,以上材料对Sb(Ⅲ)的吸附均为吸热自发反应。经过解吸再生后,UiO-66-NH2和GO@UiO-66-NH2的再生吸附率分别为67.16%和70.38%,复合水凝胶的再生吸附率为80.85%。(4)解吸实验表明,在4次再生循环后,UiO-66-NH2的吸附去除率为67.16%,占初始去除率的70.34%,GO@UiO-66-NH2的去除率为70.38%,占初始去除率的71.08%。复合水凝胶的再生去除率分别为88.10%、86.88%、86.19%和85.84%,最终与初始循环相比仅下降2.96%,占初始循环吸附量的89.5%。GO@UiO-66-NH2和复合水凝胶的循环回收率分别为70.24%和93.73%。综上所述,复合水凝胶具有更高的回收率、更优的循环再生性和更低的成本,适合投入到Sb(Ⅲ)治理的工业应用中。
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