金属--有机框架复合材料的制备及其去除水中重金属离子的研究

摘要

随着世界经济的快速发展，固体废弃物的排放量也迅速增加，含重金属离子废水的处理成为研究的热点。去除水中重金属离子的常用方法有吸附法、膜分离技术、离子交换、电化学法等。吸附法与其他方法相比，具有环保、可循环使用、操作简单、节能等优点，被广泛应用于去除和分离各种污染物。但是应用广泛的吸附材料（如活性炭、沸石和树脂材料）还存在很多缺点，如吸附容量小、吸附选择性差、污染物去除率低等。金属-有机框架材料(MOFs)是一种纳米级别多孔材料，由于其超大的比表面积、可化学修饰、吸附位点丰富等优点，使其在污染物吸附与分离方面展现出巨大潜力。MOFs材料自身的结晶性使它多以粉末形式存在，导致它的加工性和可操作性低，不利于回收利用。将MOFs生长在合适的基底材料上，是实现功能化MOFs回收再利用的一种有效方法。 本文在室温下以纤维素气凝胶(CA)和酵母小球(Yeast)为基底材料，通过原位生长法，成功的将MOFs附载在纤维素气凝胶和酵母小球上，制备了金属-有机框架材料@纤维素气凝胶复合材料(MOFs@CA)和金属-有机框架材料@酵母小球复合材料(MOFs@Yeast)，实现了MOFs的回收再利用。研究了MOFs@CA和MOFs@Yeast吸附水中重金属离子的性能。通过对比纯MOFs和MOFs复合材料对重金属离子的平衡吸附量，确定MOFs负载在在纤维素气凝胶和酵母小球上后，孔道没有堵塞，仍然是功能性的。为MOFs的回收利用提供了一种思路和方法。研究过程和结果如下: (1)金属-有机框架材料@纤维素气凝胶复合材料(MOFs@CA)的制备，表征及性能研究。将制备好的纤维素气凝胶浸泡在含有锆金属源的前驱体溶液中，然后将参杂了锆金属的纤维素气凝胶浸泡在对苯二甲酸和二氨基对苯二甲酸的甲醇溶液中，原位生长制备出UiO-66@纤维素气凝胶复合材料(UiO-66@CA)和UiO-66-NH2@纤维素气凝胶复合材料(UiO-66-NH2@CA)。通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、热重分析(TG)对UiO-66@CA和UiO-66-NH2@CA进行了表征，结果显示MOFs@CA复合材料在循环使用后显示出良好的形状稳定性，可以实现5次循环使用，并且吸附性能没有显着降低。与CA相比，UiO-66@CA和UiO-66-NH2@CA的压缩应力分别增加了52％和60％。UiO-66-NH2生长在CA气凝胶表面后，CA热稳定性得到提高，最高分解温度(Tmax)和完全分解温度(Tf)分别增加了24.6℃和62.1℃，UiO-66@CA的最高分解温度(Tmax)和完全分解温度(Tf)分别增加了20.7℃和60.7℃。同时，所获得的MOFs@CA复合材料可以很容易地从废水中分离，没有任何二次污染。UiO-66-NH2@CA对Pb2+的平衡吸附容量为89.40 mg/g。这种优异的可重复使用性和易分离性能使MOFs@维素气凝胶复合材料成为去除废水中重金属离子的理想选择。 (2)金属-有机框架材料@酵母小球复合材料(MOFs@Yeast)的制备，表征及性能研究。将制备好的酵母小球分别浸泡在含有钴金属源和锌金属源的甲醇溶液中，然后将参杂了钴金属源和锌金属源的酵母小球浸泡在二甲基咪唑的甲醇溶液中，原位生长制备出ZIF-67@酵母小球复合材料(ZIF-67@Yeast)和ZIF-8@酵母小球复合材料（ZIF-8@Yeast）。通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、热重分析(TG)对ZIF-67@Yeast和ZIF-8@Yeast进行了表征，结果显示ZIF-67可以在酵母小球上均匀的生长，负载率可以达到31wt％。ZIF-67生长在酵母小球表面后，酵母小球热稳定性得到提高，与纯酵母小球相比，ZIF-67@Yeast的最高分解温度(Tmax)和完全分解温度(Tf)分别增加了47.3℃和37.7℃。ZIF-67@Yeast对Pb2+的平衡吸附容量为64.7 mg/g。这种易于分离的性质为MOFs去除废水中重金属离子，实现回收利用提供了一种思路和方法。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景与意义

1．2金属省机框架材料在污染物吸附、分离领域的进展

1．3金属有机框架材料(MOFs)去除重金属的研究进展

1．3．1金属有机框架材料对Pb2+的去除

1．3．2金属有机框架材料对Cu2+的去除

1．4金属-有机框架材料在去除水重金属离子方面的挑战与机遇

1．5问题的提出

1．6本文工作

第二章Zr-MOFs@纤维素气凝胶复合材料的制备和性能研究

2．1引言

2．2实验部分

2．2．1实验药品与仪器

2．3原料合成与制备

2．3．1纤维素气凝胶的合成

2．3．3UiO-66@CA和UiO-66-NH2@CA复合材料的合成

2．4表征

2．5．1表面形貌分析

2．5．2晶体结构分析

2．5．3热重分析

2．5．4CA、UiO-66、UiO-66-NH2、UiO-66@CA和UiO-66-NH2@CA的物理性质

2．5．5吸附性能分析

2．5．6 UiO-66-NH2@CA复合材料的分离和再利用

2．6本章小结

第三章ZIF@酵母小球复合材料的制备和性能研究

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1实验药品与仪器

3．3原料合成与制备

3．3．1酵母小球的制备

3．3．2 ZIF-67@酵母小球复合材料的制备

3．4表征

3．5结果与分析

3．5．1表面形貌分析

3．5．2晶体结构分析

3．5．3热重分析

3．5．4吸附性能分析

3．6本章小结

第四章结论与展望

4．1结论

4．2展望

参考文献

附录

致谢