Fe基磁性多孔材料的制备及其对染料的物理吸附和光催化降解

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当今染料废水排放所带来的水污染已经成为了人类急需解决的难题之一,这些染料废水不仅色度大、毒性强,而且通常情况下很难被自然降解。传统染料废水处理方法如物理吸附、化学降解等都或多或少有一定的局限性。金属有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)以其极高的比表面积和可调节的孔径等优异性能成为了染料废水处理的优质候选材料,而且MOFs凭借其类半导体性对有机染料展现出的光催化降解性能也备受瞩目。但是MOFs使用过后的回收问题一直难以解决,这使MOFs材料的循环使用受到了极大的局限。本文针对以上问题,采用Fe3O4为磁性基体,过渡金属元素Cu为金属中心,多元羧酸为有机配体,来构建集超顺磁性、光响应性和水稳定性于一身的多孔材料。研究其对染料的吸附性能和光催化降解性能,并且研究了它对染料的循环吸附能力和循环光催化降解能力。主要研究内容如下:(1)以Fe3O4为磁性基体,Cu2+为金属配位中心,并选取三种结构相似的多元羧酸三-(对羧基苯基)-间苯三甲酰胺(H3L)、三-(4-羧基-3甲基苯基)-间苯三甲酰胺(H3L-2-CH3)和双(3,5-2羧基苯基)对苯二甲酰胺(H4L)为有机配体,合成了三种Fe基磁性多孔材料Fe3O4@Cu-H3L、Fe3O4@Cu-H3L-2-CH3和Fe3O4@Cu-H4L。通过X射线衍射,傅里叶红外变换光谱及热重分析等手段对所制备的三种材料进行了表征和测试。结果表明,成功制备了实验所需的三种磁性MOFs材料,三者都具有一定的热稳定性,且Fe3O4纳米粒子的加入对材料整体框架有一定的保护作用,可以适当的增强MOFs的热稳定性。(2)研究了所制备的三种磁性MOFs对阳离子翠蓝X-GB的吸附性能和光催化性能。发现三者对于小分子的线性阳离子翠蓝X-GB都具有良好的吸附性能和光催化降解性能。其中Fe3O4@Cu-H3L和Fe3O4@Cu-H3L-2-CH3对阳离子翠蓝X-GB的最终吸附去除率较高,而Fe3O4@Cu-H4L对染料的吸附速度较快。在本文的实验条件下,三种磁性MOFs对于阳离子翠蓝X-GB的最终降解率都很高(对应降解率分别为98.29%、99.97%和98.58%),并且实验过后,磁性MOFs均可以通过外加磁场发生定向移动。此外研究了Fe3O4的加入对于MOFs吸附和光催化降解阳离子翠蓝X-GB性能的影响。结果发现,Fe3O4的加入会使Cu-H4L对阳离子翠蓝X-GB的最终吸附率从85.81%降低到79.86%,并且使H3L-2-CH3的Eg值从2.34e V增加到2.40e V,但是对于整体的吸附性能和光催化降解性能影响不大。最后通过实验,发现Fe3O4@Cu-H3L-2-CH3对阳离子翠蓝X-GB溶液的最佳降解p H值为8。(3)研究了三种材料的水稳定性能。结果表明,三种材料均具有一定的水稳定性,其中Fe3O4@Cu-H3L-2-CH3的耐水解稳定性最好。采用Fe3O4@Cu-H3L-2-CH3对阳离子翠蓝X-GB进行了循环吸附实验和循环光催化降解实验,发现Fe3O4@Cu-H3L-2-CH3对阳离子翠蓝X-GB展现出优异的循环吸附性能和循环光催化降解性能,并且在循环实验五次后都能保留材料原本的框架结构和良好的超顺磁性。与传统的回收方式相比,磁性MOFs所具备的磁性回收能力很大程度上缩短了回收时间,降低了回收成本。(4)研究了Fe3O4@Cu-H3L-2-CH3对活性翠蓝KN-G的吸附能力和光催化降解能力。结果发现,Fe3O4@Cu-H3L-2-CH3对结构复杂的大分子活性染料活性翠蓝KN-G并不吸附。并且经过阳离子翠蓝X-GB敏化后的Fe3O4@Cu-H3L-2-CH3对难降解的活性翠蓝KN-G展示出一定的光催化降解能力和良好的循环光催化降解能力,在五次循环实验过后,催化降解百分率只下降了5.38%,而且还保留了材料原本的结构框架和超顺磁性。此外,Fe3O4的加入使Cu-H3L-2-CH3光催化降解活性翠蓝KN-G降解百分率仅下降了1.99%。
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