ZIF-8基复合材料的制备表征及去除污染物

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沸石咪唑酯骨架(ZIFs)因其类似于沸石的结构而具有独特的性质,在催化、储能、分离以及环境修复等领域具有广阔的应用前景。ZIF-8包裹纳米零价铁形成的功能性复合材料,结合了MOFs材料的高吸附选择性能和金属纳米颗粒的高反应特性,特别是在吸附降解环境污染物的领域具有潜在应用价值。作为环境材料新的研究体系,本论文以合成ZIF-8为出发点,先后合成ZIF-8,ZIF-8-Fe和ZIF-8-Fe/Ni,并应用于去除抗生素和重金属污染物。首先,使用ZIF-8材料对混合抗生素四环素(TC)和土霉素(OTC)进行去除,探究了温度、浓度、投加量和pH等因素对吸附能力的影响,结果发现其对TC和OTC的最大吸附容量在303 K时分别为303.0和312.5 mg g-1。批量实验结果表明两种抗生素的吸附均遵循伪二级动力学,最佳拟合Langmuir吸附模型。此外,结合对吸附前后ZIF-8的表征,提出四环素和土霉素与ZIF-8是通过静电吸引和π-π堆积相互作用的吸附机制。其次,合成出新的ZIF-8-Fe功能性复合材料。多种表征手段证明了ZIF-8空腔中包含纳米零价铁(nZVI),并初步比较了ZIF-8,ZIF-8-Fe和nZVI对Cu2+和诺氟沙星混合污染物的去除性能。结果发现ZIF-8-Fe对重金属Cu2+的去除率略高于ZIF-8,但明显高于nZVI。相比较而言,ZIF-8-Fe对溶液中诺氟沙星的去除率为52.64%,而ZIF-8和nZVI诺氟沙星的去除率分别为38.90%和20.75%,这些数据说明新材料具备去除复合污染物的潜力。为了确认去除机制,以单一Cu2+作为目标污染物进行了批量实验。ZIF-8-Fe去除Cu2+的研究发现,存在Cu0或Cu(Ⅰ),说明Cu2+被还原。吸附-还原机制是基于ZIF-8吸附Cu2+,而后纳米铁还原Cu2+实现的。最后,将双金属纳米Fe/Ni包裹在ZIF-8中形成新的复合材料ZIF-8-Fe/Ni,并比较了ZIF-8、ZIF-8-Fe和ZIF-8-Fe/Ni去除盐酸土霉素(OTC)的性能。结果表明,当初始浓度为20 mg L-1,土霉素的去除率分别为40.0%(ZIF-8)、58.5%(ZIF-8-Fe)和74.6%(ZIF-8-Fe/Ni),ZIF-8-Fe/Ni的性能明显优于其余两种材料。系统探究了ZIF-8-Fe/Ni去除土霉素的性能,实验结果表明去除土霉素的反应符合伪二级动力学模型。热力学数据显示ΔS0为-0.0963 kJ K-11 mol-1,表明ZIF-8-Fe/Ni去除土霉素的过程是混乱度减小的,该反应温度过高时无法自发进行。
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