用于处理染料废水的配合物-制备与应用

来源 :北京建筑大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:jerry_007_
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近年来,废水中有机污染物的去除受到了广泛的关注。一般情况下,有机污染物具有很好的光稳定性,会对环境和生物产生很高的潜在危险。目前越来越多的材料被用来处理废水中的污染物,比如纳米吸附材料、TiO2光催化材料等,这些材料尽管对废水具有较好的处理效果,但是不利于研究材料与污染物之间的构效关系。因此,探索一种能够有效解决水污染问题并且有利于反应机理探究的新型环境修复材料迫在眉睫。配合物材料是由无机金属离子和有机配体构成的一种新型无机-有机杂化材料。由于具备多样和易调控的结构、可调谐的表面活性位点,配合物在吸附、荧光、催化、化学传感等领域得到了广泛的应用。在环境修复方面,配合物常被用来作为一种有效的吸附剂去除废水中的有机污染物,或在紫外光/可见光/紫外-可见光的照射下作为均相光催化剂来光催化降解有机污染物以及光催化还原CO2和Cr(VI)。本研究基于晶体工程学设计原理,利用缓慢扩散法和水热法成功合成6种新型功能配合物材料,对其进行结构分析和性能表征,并通过选择典型的有机染料作为吸附或光催化降解的靶物,研究所合成配合物的吸附或光催化性能,并探究其反应机理。主要的研究成果如下:1.本实验根据晶体工程学原理在乙醇/氨水的溶液中通过室温条件下的缓慢扩散法合成一种具有高效吸附和分离效果的新型银基配合物材料[Ag4(dpe)4]·(butca)·13H2O(配合物1)(dpe=1,2-双(4-吡啶基)乙烯,H4butca=1,2,3,4-丁烷四羧酸),对其进行结构分析和性能表征。通过选择两种阴离子型染料甲基橙(MO)和刚果红(CR),两种阳离子型染料亚甲基蓝(MB)和罗丹明B(Rh B)作为目标靶物来研究配合物1的吸附效果。结果表明:(1)配合物1对阴离子型染料MO和CR具有较高的吸附性能(对MO的最大吸附量为779 mg/g,CR的最大吸附量为739 mg/g);(2)配合物1对MO的吸附动力学过程可用伪一级动力学方程描述,吸附过程符合Langmuir和Freundlich等温线模型;(3)Gibbs自由能变((35)G0)小于零,焓变(ΔH0)和熵变(ΔS0)大于零,表明配合物1对于MO的吸附是一个吸热、自由度逐渐增加的自发反应过程;(4)配合物1能够快速实现MO/MB混合染料的选择性分离,并利用自制的SPE小柱实验验证;(5)配合物1在吸附MO的过程中能实现循环利用并且具有较好的稳定性;(6)配合物1具有良好的杀菌性能以防止生物挂膜现象。2.通过选择新型的有机配体制备了两种具有荧光和光催化性能的配合物材料[Ag4(dpe)4]·(btec)(配合物2)和[Ag4(bpy)4]·(btec)·12H2O(配合物3)(dpe=1,2-双(4-吡啶基)乙烯,bpy=4,4′-联吡啶,H4btec=1,2,4,5-均苯四羧酸),并用单晶X-射线衍射仪(SCXRD)、傅立叶红外变换光谱仪(FTIR)、CNH元素分析仪(EA)、紫外-可见漫反射光谱仪(UV-Vis DRS)及荧光光谱仪(PL)对配合物2和3进行表征。本章中的两种银基配合物材料均由一维的阳离子链[Ag/dpe(bpy)]n n+和离散的btec4-阴离子组成,并通过Ag…Ag和Ag…N作用力、静电作用、π-π堆积作用和氢键作用(除了配合物2)构成三维的类三明治骨架结构。两种配合物材料具有相似的光学能隙和良好的荧光性能,但是在紫外光的照射下对于MO染料的光催化降解效果不同。3.选择合适的金属盐和有机配体利用水热法合成了基于过渡金属钴(Co)、铜(Cu)、锰(Mn)的新型配合物材料[Co(bpy)2(nbda)2(H2O)2]·2H2O(配合物4),[Cu(bpy)2(nbda)2(H2O)2]·2H2O(配合物5),[Mn(bpy)2(nbda)2(H2O)2]·2H2O(配合物6)(bpy=4,4′-联吡啶,H2nbda=2,3-降茨烷二羧酸),并通过单晶X-射线衍射仪(SCXRD)、元素分析仪(EA)和傅立叶红外变换光谱仪(FTIR)对所制备的样品进行表征。结果表明三种配合物材料具有相似的结构(单斜晶系C2/c),其中配合物中的金属离子由典型的双齿配体bpy连接形成一维的阳离子链[M1(bpy)]n2n+和[M2(bpy)]n2n+(M=(Co)、铜(Cu)、锰(Mn)),并由完全去质子化的配体nbda2-连接形成二维的[M2(bpy)2(nbda)2]n阳离子层,在氢键的作用下形成三维的骨架结构。三种配合物对于有机染料甲基橙(MO)、亚甲基蓝(MB)具有不同的光催化性能,并通过异丙醇作为羟基自由基捕捉剂验证HOMO-LUMO的光催化降解机理。
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