新型吸附剂GO@MOFs处理水体中Cr(Ⅵ)的应用研究

摘要

水体Cr(Ⅵ)的污染主要来自电镀、制革、催化等化工行业的不合理排放，过量的Cr(Ⅵ)对生物有致癌性和致畸性。去除Cr(Ⅵ)的常见方法有离子交换法、电降解法、吸附法等。吸附法因具有操作简单、实用高效、价格低廉等优点被广泛应用于去除水体中的Cr(Ⅵ)。但传统的吸附剂材料均存在重复性差、应用受限等缺点，新型吸附剂MOFs、GO@MOFs具有良好的水热稳定性和超大的比表面积，在气体分离、催化、固相萃取等领域都有应用。
　　本研究应用MIL系列中的MIL-101与二维软性材料氧化石墨烯复合得到新型吸附剂GO@MIL-101。首次尝试将该吸附剂用于去除水体中Cr(Ⅵ)。通过XRD、FT-IR、BET、SEM等表征技术手段来探讨不同石墨烯掺杂量的复合吸附剂的结构及微观形貌规律。结果显示，添加GO后，晶体微观形貌以及官能团改变不大，但晶体的粒径随着添加GO量的增多而减小，添加过多的GO会影响晶核的形成，如15％ GO@MIL-101的晶体率较低。比表面积分析结果显示，加入GO的晶体的比表面积均有所提高，其中2％ GO@MIL-101的最大。
　　实验采用静态吸附方法，探讨了吸附剂的种类、溶液初始pH值、温度等对MIL-101、GO@MIL-101吸附水溶液中Cr(Ⅵ)的影响，并研究该过程的反应动力学和热力学。结果表明，添加质量比为2％的GO吸附去除Cr(Ⅵ)效果最好，当K2Cr2O7溶液初始浓度为20mg/L时，去除率到达39.3％，比MIL-101提高了10％左右。各吸附剂在60min均能达到吸附平衡，最佳的去除pH为5左右。该吸附水体中Cr(Ⅵ)的过程符合准二级动力学模型和Freundlich吸附等温线，吸附剂的最大吸附量在温度为293K时达到最大，MIL-101和2％ GO@MIL-101的最大吸附量分别为115.26 mg/g和143.09 mg/g。再生实验结果表明，再生多次后MIL-101形貌改变、骨架坍塌，而加入GO的吸附剂再生多次后形貌基本不变，且去除效果仍较好，因此GO@MIL-101具有良好的应用前景。由零电点、吸附前后pH变化以及离子交换剂量关系可知，MIL-101和2％ GO@MIL-101去除水体中Cr(Ⅵ)的过程存在离子交换，并且2％GO@MIL的交换量比MIL-101要多。GO的加入，增加了易于被质子化的含氧官能团，另一方面，加入2％GO@MIL-101的K2Cr2O7溶液的pH更低，此时溶液中的Cr(Ⅵ)的存在形式以HCrO4-居多，这增大了吸附剂与溶液的离子交换量。
　　总之，MIL-101、GO@MIL-101均对水体中Cr(Ⅵ)有良好的吸附性能，其中2％GO@MIL-101的去除效果最好，且具有可重复利用性，具有应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 水体中铬的来源与污染

1．2 废水中Cr(Ⅵ)的去除方法

1．2．1 离子交换法

1．2．2 电降解法

1．2．3 化学沉淀法

1．2．4 生物法

1．2．5 吸附法

1．3 新型吸附剂及其在水处理中的应用研究

1．3．1 金属有机框架

1．3．2 氧化石墨烯

1．3．3 氧化石墨烯与金属有机框架复合材料(GO@MOFs)

1．4 研究意义与内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容及技术路线图

第二章 实验材料与方法

2．1 实验材料及仪器

2．2 吸附材料制备

2．2．1 MIL-101的制备

2．2．2 氧化石墨烯的制备

2．2．3 复合材料的制备

2．3 实验用水及测定方法

2．3．1 实验用水配制

2．3．2 Cr(Ⅵ)的测定方法

2．3．3 吸附剂表征方法

2．4 实验方法

2．4．1 吸附过程影响因素影响

2．4．2 吸附动力学实验

2．4．3 吸附等温线

2．4．5 吸附循环再生实验

2．4．6 零电点测定

2．4．7 离子交换剂量关系

第三章 GO@MOFs的表征与分析

3．1 结构分析

3．1．1 X射线粉末衍射分析

3．1．2 傅里叶变换红外光谱分析

3．1．3 孔径分布与比表面积分析

3．2 微观形貌表征分析

3．2．1 场发射扫描电子显微镜分析

3．2．2 透射电子显微镜分析

3．3 本章小结

第四章 不同吸附剂对Cr(Ⅵ)的吸附影响研究

4．1 吸附影响因素研究

4．1．1 不同吸附剂对Cr(Ⅵ)去除影响

4．1．2 不同pH对Cr(Ⅵ)去除影响

4．1．3 不同温度对Cr(Ⅵ)去除影响

4．2 不同吸附剂对Cr(Ⅵ)的吸附动力学研究

4．3 不同吸附剂对Cr(Ⅵ)的吸附等温线

4．4 吸附循环再生性能研究

4．5 吸附机理探讨

4．5．1 零电点分析

4．5．2 离子交换剂量关系

4．6 本章小结

第五章 结论与建议

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

发表论文情况和参加科研情况

致谢