锆基MOFs吸附去除水中砷、锑离子和汞离子检测性能研究

摘要

水体中重金属汞(Hg)、砷(As)和锑(Sb)的污染对人类健康和环境有着严重的危害。开发简便的识别和有效去除重金属的方法对保护环境和人类健康尤其重要。为此，我们探索了荧光Cd1-xZnxSe1-ySy核壳量子点检测水体中Hg2+离子的方法，锆基MOFs去除污染水中的砷(III, V)和锑(III, V)的研究，主要内容如下：
　　(1)采用金属有机相合成法合成了荧光Cd1-xZnxSe1-ySy核壳量子点，并在Cd1-xZnxSe1-ySy核壳量子点和氧化石墨烯(GO)分别修饰互补单链DNA，利用Hg2+与胸腺嘧啶形成胸腺嘧啶-Hg2+-胸腺嘧啶(T-Hg2+-T)结构，从而胸腺嘧啶-胸腺嘧啶(T-T)不匹配杂交紧密结合，使得纳米金属表面能量(NSET)从Cd1-xZnxSe1-ySy核壳量子点上转移到氧化石墨烯(GO)，实现Hg2+离子有高度的选择性检测。荧光传感器在缓冲溶液和河水中检测Hg2+的检出限分别是0.1和0.2μg?L-1。
　　(2)采用水热法合成法合成了UiO-66及其类似物UiO-66(NH2)锆基金属有机框架(MOFs)材料，等温吸附数据表明UiO-66对水中的As(III)和As(V)的吸附容量达到了200.16 mg/g和73.15 mg/g，证实了MOFs材料高比表面积提供了大量As吸附位点，从而具有超大吸附容量。修饰氨基后的UiO-66(NH2)吸附容量要小些，说明氨基引入对去除As(III)和As(V)没有起到协同作用。热力学实验结果证明UiO-66和UiO-66(NH2)吸附As(III)和As(V)的过程均是放热过程。动力学准二级模型和 Dubinin-Radushkevich(D-R)等温模型计算结果均证明 UiO-66和UiO-66(NH2)吸附As(III)和As(V)均是化学吸附。UiO-66用作固定床吸附剂时对含100 ppb As(III)和As(V)溶液，处理达到WHO饮用水标准(10 ppb)，可以有效处理的柱体积(BVs)分别是2270 BVs和1775 BVs，表现出了优异处理效果。X射线光电子能谱(XPS)结果揭示了UiO-66的超大吸附容量是因为大量的Zr-O键参与了As(III)和As(V)配位。
　　(3) UiO-66(NH2)及UiO-66吸附去除水溶液中的重金属Sb(III)和Sb(V)，研究发现修饰氨基后的UiO-66(NH2)对去除Sb(III)和Sb(V)有更大的吸附容量，分别达到了61.8 mg/g和105.4 mg/g，而UiO-66从水溶液中去除Sb(III)和Sb(V)的吸附容量分别是53.5 mg/g和99.5 mg/g，说明氨基引入对去除重金属Sb(III)和Sb(V)起到了协同作用。热力学实验结果证明UiO-66(NH2)及UiO-66吸附Sb(III)和Sb(V)的过程均是吸热过程。Dubinin-Radushkevich(D-R)等温模型和动力学准二级模型计算结果证明UiO-66(NH2)及UiO-66吸附Sb(III)和Sb(V)均是化学吸附。
　　UiO-66和UiO-66(NH2)锆基MOFs材料在酸碱等条件下稳定性好，对水体中砷(As)和锑(Sb)具有优异去除性能，并且是一种可以应用于固定床的吸附材料，可构建简单净水装置。结果表明在水处理实际应用中，UiO-66和UiO-66(NH2)锆基MOFs材料有着广泛的应用潜力。