新型掺杂Zn2+金属有机框架材料的制备及抗生素吸附研究

摘要

抗生素作为抗菌类药物，大量用于生产与生活的各方面，然而抗生素残留的排放，会引发一系列环境问题，如何高效去除环境中的抗生素已成为当前研究的热点。目前处理环境中残留的抗生素最为常用的方法是吸附法。常用的吸附剂包括：传统碳材料、树脂、过渡金属氧化物、分子筛、陶土类吸附剂等。这些材料存在一定的缺点，比如对抗生素吸附效果不够好，不能同时对多种抗生素有较好的吸附效果；重复率低、工艺复杂、成本高等。因此，寻找一种高效、应用范围广、成本低、可循环利用的吸附剂显得尤为重要。金属有机框架材料(MOFs)由于具有比表面积高、孔径及孔隙率可调、易官能团化等优势而备受关注，在吸附相关领域有着巨大的应用潜力。　　本研究以UiO-66-NH2为金属有机框架材料(MOFs)基础材料，用一锅合成法合成出含Zn的Zn-UiO-66-NH2纳米粒子，其中合成时加入的Zr4+∶Zn2+=1∶1时，命名为50Zn-UiO-66-NH2。用多晶X射线衍射仪(XRD)、热重分析仪(TG)、场发射扫描电镜(FESEM)、Brunauer-Emmett-Teller(BET)比表面积测试法、傅里叶红外光谱分析(FT-IR)等一系列表征手段对UiO-66-NH2及50Zn-UiO-66-NH2纳米粒子的形貌和结构进行了表征。研究发现，50Zn-UiO-66-NH2纳米粒子具备较好的热与化学稳定性，Zn掺杂会使纳米粒子的孔体积与比表面积增加，孔径基本不变。详细研究了50Zn-UiO-66-NH2纳米粒子对头孢曲松钠、四环素、土霉素三种抗生素的吸附性能，探究了pH、温度、Zn含量及抗生素溶液初始浓度对吸附性能的影响。研究结果表明50Zn-UiO-66-NH2对头孢曲松钠、四环素、土霉素吸附的最佳pH分为3、8、3，最佳吸附温度均为45℃，抗生素溶液的初始浓度会对吸附性能产生影响。在最佳pH与最佳吸附温度下，50Zn-UiO-66-NH2纳米粒子对头孢曲松钠、四环素、土霉素的最大吸附量分别为484.38mg/g、215.32mg/g、512.13mg/g。　　动力学模型研究吸附过程机理的结果表明，50Zn-UiO-66-NH2纳米粒子对头孢曲松钠、四环素、土霉素的吸附过程与拟二阶动力学模型的拟合度较高(R2＞0.99)，表明在吸附过程中化学作用起主要作用；各抗生素分子在50Zn-UiO-66-NH2内的扩散经颗粒内扩散模型研究表明，各抗生素分子在50Zn-UiO-66-NH2内的扩散可分为膜扩散阶段、孔道扩散阶段、在吸附位点的吸附三个阶段。扩散过程中三阶段的iX(颗粒扩散常数)逐渐增加，说明边界层扩散对在吸附位点的吸附阶段吸附速率控制步骤的影响最大。　　50Zn-UiO-66-NH2具备较好的可重复使用性能，Zn是一种价廉易得的过渡金属元素，故该材料有望在抗生素吸附中得到广泛应用。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 抗生素简介

1.1.1 抗生素分类

1.2 抗生素应用现状及抗生素滥用造成的危害

1.3 吸附法处理抗生素的研究现状

1.3.1 吸附理论简介

1.3.2 吸附法去除四环素的研究现状

1.3.3 吸附法去除土霉素的研究现状

1.3.4 吸附法去除头孢类抗生素的研究现状

1.3.5 吸附法去除其他抗生素的研究现状

1.4 金属有机框架材料

1.4.1 金属有机框架材料简介

1.4.2 提高金属有机框架材料吸附性能的方法及应用

1.5 本论文研究内容与思路

1.5.1 选题思路

1.5.2 研究内容

第2章 新型掺杂Zn金属有机框架材料的制备与表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验所用药品与试剂

2.2.2 实验所用仪器

2.2.3 纳米粒子的制备及活化

2.2.4 实验表征手法

2.3 实验结果与简要分析

2.3.1 场发射扫描电镜分析（FESEM）

2.3.2 X射线粉末衍射分析（XRD）

2.3.3 傅里叶红外光谱分析（FT-IR）

2.3.4 对UiO-66-NH2及50Zn-UiO-66-NH2比表面积及孔径研究

2.3.5 50Zn-UiO-66-NH2的水稳定性研究

2.3.6 50Zn-UiO-66-NH2对热稳定性研究

2.4 本章小结

第3章 50Zn-UiO-66-NH2对抗生素的吸附性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验所用药品与试剂

3.2.2 实验所用仪器

3.2.3 实验表征手法

3.2.4 各抗生素标准曲线的测定

3.2.5 各抗生素吸附量qt的计算

3.2.6 吸附实验

3.2.7 具体实验内容

3.3 实验结果及简要分析

3.3.1 不同Zn含量纳米粒子对抗生素的吸附性能的影响

3.3.2 pH对吸附性能的影响

3.3.3 温度对吸附性能的影响

3.3.4 接触时间对吸附性能的影响

3.3.5 最大吸附量研究

3.3.6 吸附循环再生实验

3.3.7 模拟样本的吸附效果检测

3.4 本章小结

第4章 50Zn-UiO-66-NH2对抗生素的吸附动力学研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验所用药品与试剂

4.2.2 实验所用仪器

4.2.3 实验表征手法

4.3 实验结果及简要分析

4.3.1 动力学模型分析

4.3.2 拟一阶动力学模型分析

4.3.3 拟二阶动力学模型分析

4.3.4 颗粒内扩散模型分析

4.4 本章小结

结论

参考文献

附录本文作者相关论文题录

致谢