新型金属有机框架材料的设计及其在重金属离子吸附中的应用

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人口的增长和工业的快速发展造成水环境污染越来越严重,而重金属离子是其中重要的污染物。Cr(Ⅵ)是水环境中的一项重要污染物,其有很强的的致畸和致癌作用。目前,用于水环境中重金属离子处理的方法大都价格昂贵,并且需要复杂的方法和设备。金属有机框架材料(Metal Organic Frameworks,MOFs)是一种比表面积大、孔隙率高、结构多样并能可控合成的新型多孔材料,今年来在吸附领域得到很好的发展。MOF-5及Cu-BTC金属有机框架材料是两种性能优良的材料,均有较高的比表面积和高孔隙率。本文基于经典的MOF-5及Cu-BTC金属有机框架材料,通过改变配体或对配体进行功能化来实现对重金属离子的吸附。具体地说,本论文的研究工作主要分为以下三部分:1、由于中性的吡啶氮位点同3d过渡金属离子有较强的结合能力,因此,我们选用同时含有吡啶基团和羧酸基团的3,5-吡啶二羧酸作为有机配体,以锌离子为金属中心构筑MOF-5-bpy金属有机框架材料并用于吸附水环境中的Cr(Ⅵ),对其进行FT-IR分析,SEM和X射线衍射表征,通过吸附模型分析,材料对Cr(Ⅵ)的吸附更符合拟二阶动力学方程。等温方程Langmuir的吸附容量达到16.05mg/g。在吸附过程中,功能化材料不会溶胀并且不溶于水。经过五个吸附-解吸循环后,吸附容量基本恒定,证明该材料可以有良好的重复利用性。2、通过配体修饰方法合成了一种氨基改性的金属有机框架材料MOF-5-NH2,将其用于Cr(Ⅵ)的捕获与吸附,对其进行FT-IR分析,SEM和X射线衍射表征,通过吸附模型分析,材料对Cr(Ⅵ)的吸附更符合拟二级动力学方程。等温方程Langmuir的吸附容量达到14.63mg/g。在吸附过程中,功能化材料不会溶胀并且不溶于水。由于其良好的吸附水稳定性和循环吸附性能,对于水环境中Cr(Ⅵ)吸附有很大的应用前景。3、金属有机框架材料的改性包括“前修饰”和“后修饰”,本节中我们采用双配体的“后修饰”策略,在经典MOF材料Cu-BTC合成的基础上,添加吡啶类配体4,4’-联吡啶,合成同时具有羧酸配体和吡啶配体的双配体金属有机框架材料Cu-BTC+4,4’-bpy,并对其进行FT-IR分析,SEM和X射线衍射表征,吸附动力学和吸附等温线分析以及吸附再生性研究,合成了一种对Cr(Ⅵ)具有良好吸附能力且性能良好的新型金属有机框架材料。
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