金属-有机骨架材料吸附分离水中有机物分子的实验研究

摘要

金属有机骨架材料（metal-organic frameworks，MOFs）是一种新型纳微结构材料，具有比表面积和孔隙率高，功能性强，尺寸可调控，种类多样等优点，近年来已被广泛应用于气体吸附分离、膜分离、工业催化、药物控释等领域。但是，目前MOF材料在液相吸附分离方面的应用覆盖范围较窄，还需要进行大量的相关研究。
　　单宁酸是一种水溶性的多酚化合物，多存在于皮革，医药，印染，食品等工业废水中，水中过量的单宁酸将会对人体和水生生物造成危害，因此脱除水中单宁酸成为了亟待解决的环境问题之一。氨基酸是构成生命体的基本单位，其中，L-苯丙氨酸是一种芳香族氨基酸，被广泛应用于医药和食品工业。在L-苯丙氨酸的生产过程中需要将其从水中分离出来，以达到提纯的目的。因此，研究MOF材料对水中L-苯丙氨酸的吸附性能，具有重要的学术和实用价值。本文以单宁酸和L-苯丙氨酸为研究对象，研究了MOF材料对这两种有机物分子的吸附性能。具体研究内容如下:
　　1、采用水热/溶剂热合成法，制备了MIL-53(Cr)，MIL-68(Al)，MIL-100(Fe), MIL-100(Al), MIL-101(Fe), NH2-MIL-101(Cr), MH2-MIL-101(Al), NH2-MIL-125(Ti), MIL-140A-Zr, UiO-66(Zr), NH2-UiO-66(Zr)，CAU-1，ZIF-8共13种性质稳定的MOF材料，并对这些材料采用BET表征和PXRD表征。
　　2、采用静态间歇吸附法研究了UiO-66(Zr)，NH2-UiO-66(Zr)，CAU-1, MIL-53(Cr), NH2-MIL-125(Ti), NH2-MIL-101(Cr), MIL-140A(Zr)等7种MOF材料对单宁酸的吸附性能。筛选结果表明，NH2-MIL-101(Cr)具有比传统多孔材料更强的吸附能力，其最大吸附量为942±10 mg·g-1，此吸附过程符合Langmuir吸附模型和准二级动力学模型。除此之外，NH2-MIL-101(Cr)对于低浓度的单宁酸具有很好的脱除效果（当C0≤200 mg·L-1时，脱除率≥99％），可作为一种高效脱除水中单宁酸的吸附材料。
　　3、采用静态间歇吸附法研究了MIL-68(Al)，MIL-100(Fe)，MIL-101(Fe), NH2-MIL-101(Al),MIL-100(Al), ZIF-8, UiO-66(Zr),NH2-MIL-125(Ti)等8种MOF材料对L-苯丙氨酸的的吸附性能。筛选结果表明，ZIF-8具有较强的吸附能力，其最大吸附量为441±10mg·g-1，此吸附过程符合Freundlich吸附模型和准二级动力学模型。此外，吸附在ZIF-8上的L-苯丙氨酸还可以高效脱附，脱附率为84.32％。因此，ZIF-8被认为是一种有效地完成L-苯丙氨酸提纯过程的多孔吸附材料。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 金属-有机骨架材料简介

1．2．1 IRMOF系列材料

1．2．2 MIL系列材料

1．2．3 ZIF系列材料

1．2．4 UiO系列材料

1．2．5 CAU系列材料

1．3 金属-有机骨架材料的制备方法简介

1．3．1 金属-有机骨架材料的合成方法

1．3．2 金属-有机骨架材料的活化方法

1．4 MOF材料在吸附分离领域的应用

1．4．1 MOF材料在气体储存和分离中的应用

1．4．2 MOF材料在液相吸附和分离中的应用

1．5 本论文选题的依据和意义

1．6 本论文的创新之处

第二章 MOF材料的制备及表征

2．1 引言

2．2 MOF材料制备中所用试剂和仪器

2．2．1 主要试剂

2．2．2 主要仪器

2．3 MOF材料的制备

2．3．1 MIL系列材料的制备

2．3．2 ZIF系列材料的制备

2．3．3 UiO系列材料的制备

2．3．4 CAU系列材料的制备

2．4 MOF材料的表征方法及结果分析

2．4．1 比表面积测定分析-BET法

2．4．2 粉末X射线衍射分析-PXRD

2．4．3 傅立叶变换红外光谱分析-FTIR

2．5 MOF材料的表征结果及分析

2．5．1 粉末X-射线衍射(PXRD)结果分析

2．5．2 比表面积测定(BET)结果分析

2．6 本章小结

第三章 MOF材料脱除水中单宁酸的实验研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂及仪器

3．2．2 水中单宁酸含量的检测方法

3．2．3 MOF材料对单宁酸的吸附实验

3．3 MOF材料的筛选及表征

3．3．1 MOF材料的筛选

3．3．2 MOF材料的表征

3．4 探究单宁酸吸附的影响因素

3．4．1 温度的影响

3．4．2 pH的影响

3．4．3 离子强度的影响

3．5 单宁酸的吸附等温线及其模型的拟合

3．5．1 单宁酸的吸附等温线

3．5．2 单宁酸吸附等温线的模型拟合

3．6 单宁酸的吸附动力学曲线及其模型拟合

3．6．1 单宁酸的吸附动力学曲线

3．6．2 单宁酸的吸附动力学模型拟合

3．7 低浓度单宁酸的深度脱除

3．8 本章小结

第四章 MOF材料分离水中氨基酸的实验研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂及设备

4．2．2 L-苯丙氨酸浓度的检测方法

4．2．3 MOF材料对L-苯丙氨酸的吸附实验

4．3 MOF材料的筛选及表征

4．3．1 MOF材料的筛选

4．3．2 MOF材料的表征

4．4 L-苯丙氨酸的吸附等温线及其模型的拟合

4．4．1 L-苯丙氨酸在ZIF-8上的吸附等温线

4．4．2 L-苯丙氨酸吸附等温线的拟合

4．5 L-苯丙氨酸的吸附动力学曲线及其模型拟合

4．5．1 L-苯丙氨酸在ZIF-8上的吸附动力学曲线

4．5．2 L-苯丙氨酸在ZIF-8上的吸附动力学拟合

4．6 L-苯丙氨酸的脱附实验

4．7 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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