功能化锆基MOF材料在处理染料废水中的应用

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金属有机骨架(Metal organic frameworks,以下简称为MOFs)是由金属离子/簇和有机连接物组成的具有规则孔道或孔结构的有机-无机杂化固体,由于丰富的结构多样性和可裁剪性,被认为是一种很有前途和独特的多孔材料。其中,锆基MOFs中Ui O-67(Ui O=University of Oslo)结构因其优异的生物相容性、水热稳定性和热稳定性、反应过程无二次污染和优异的化学稳定性使其成为废水处理中最受欢迎的MOF材料之一。本论文主要以UiO-67作为前驱体,分别对其改性处理合成了一系列多孔材料,并研究所合成的材料对染料废水中染料的吸附或氧化催化反应中的性质,主要研究内容如下:1.采用一步水热法将Ce3+掺杂到MOF结构中合成Ce-Ui O-67纳米晶体,并利用其去除有机染料。对材料的吸附研究表明,Ce3+掺杂的Ui O-67纳米粒子优先吸附罗丹明B、孔雀绿等阳离子染料,而不是甲基橙等阴离子染料。罗丹明B、孔雀绿和甲基橙的吸附量分别为754.4 mg g-1、589.2 mg g-1和191.6mg g-1。根据其zeta电位和吸附等温线可知,Ce3+掺杂增加了其静电相互作用,从而提高了对阳离子染料的吸附能力。此外,还发现用准二级动力学和Langmuir等温模型描述Ce-Ui O-67对阳离子染料的吸附行为。2.为了提高UiO-67对刚果红的吸附性能,提出了一种后合成修饰方法,用含氮物质改性Ui O-67合成杂化材料。结果表明,N通过与Zr-O团簇的配位作用,结合到Ui O-67骨架中,制备了NX-Ui O-67。与Ui O-67相比,NX-Ui O-67对刚果红的吸附量显著增加,吸附量依次为NU-Ui O-67(2360 mg g-1)>NT-Ui O-67(1986.3mg g-1)>NAUi O-67(1493mg g-1)。此外,准二级动力学和Langmuir等温模型更适合描述NX-Ui O-67对刚果红的吸附行为。3.采用一步水热合成法用Ce3+代替一部分Zr4+掺入到Ui O-67骨架中合成CeUi O-67,而后在高温煅烧合成材料Ce-Ui O-67-400。将合成的材料作为催化剂应用于H2O2作为氧化剂的类Fenton氧化亚甲基蓝模型反应。催化实验结果表明400℃煅烧后的Ce-Ui O-67-400催化剂具有较大的孔径,有利于H2O2分解·OH催化亚甲基蓝。在最优条件下,30min内亚甲基蓝的去除率达94.1%。
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