UiO-66-NH2复合材料的合成及其对淡化海水中硼的吸附性能研究

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随着淡水资源匮乏的问题日益严重,利用淡化海水是工业生产、农业生产和人类日常生活中的必然趋势。但是在淡化的海水中,通常存在着硼浓度过高的问题,会对人体和植物体产生毒性。因此,对于淡化海水中硼的去除受到了很多的关注。由于吸附法具备着吸附剂成本低、易于再生、吸附效果好等优点,致使其成为了如今最具有发展潜力和运用前景的除硼技术之一。本文使用溶剂热法制备了水稳型金属有机框架UiO-66-NH2,以及两种基于UiO-66-NH2的复合材料吸附剂,分别是由氧化石墨烯(GO)和UiO-66-NH2复合而成的UiO-66-NH2/GO,以及由GO、UiO-66-NH2和磁性纳米粒子(Fe3O4)复合而成的UiO-66-NH2/GO/Fe3O4,并对两种复合材料的硼吸附性能进行了研究。通过氮气吸附/脱附等温线、扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、热重分析(TGA)、X-射线光电子能谱(XPS)和磁滞回线(VSM)对UiO-66-NH2及其复合材料进行了表征。通过单因素静态实验,研究了吸附剂投加量、pH值、吸附时间和硼初始浓度对两种UiO-66-NH2复合材料吸附硼的影响,分析了硼吸附过程中的动力学、等温线和热力学特征。通过响应面法对UiO-66-NH2/GO和UiO-66-NH2/GO/Fe3O4吸附硼的过程进行了优化,拟合出了最佳吸附条件和对应的响应值。UiO-66-NH2/GO在形貌和晶体结构方面都同UiO-66-NH2相似,其对苯二甲酸有机配体结构完好,GO的引入不会干扰UiO-66-NH2结晶的情况。与UiO-66-NH2相比,UiO-66-NH2/GO的热稳定性有所下降,但是在比表面积、总孔体积和微孔体积等方面都有所提高,分别为1048 m2/g、0.337 m3/g和0.273 m3/g。UiO-66-NH2/GO对水体中硼的吸附性能优于UiO-66-NH2,同时有着较好的再生能力,经过了3次循环实验后对硼的吸附量仅仅降低了6%,能够在淡化海水除硼的应用中被循环使用。其吸附性能受投加量、pH值、吸附时间、硼初始浓度等因素的影响较大,酸性条件和较高的温度更有助于UiO-66-NH2/GO对硼的吸附。硼在UiO-66-NH2/GO上的吸附动力学模型符合拟二级动力学模型和颗粒内扩散模型,吸附等温线的拟合结果更符合Langmuir模型,拟合的最大吸附容量为204.08 mg/g。吸附热力学表明,硼在UiO-66-NH2/GO上的吸附均是自发的,温度越高对硼的吸附性能越好。UiO-66-NH2/GO对硼的吸附是一个吸热过程,且有着良好的亲和力。响应面优化研究表明,UiO-66-NH2/GO吸附硼的响应面优化模型具有高度的兼容性,可用于设计和优化实验条件。吸附剂投加量为75.49mg/L、pH值为5.3、温度为322.11k是模型拟合的最佳条件,预计对硼的最大吸附容量为27.04 mg/g,与实际实验值仅偏差了2.2%。UiO-66-NH2/GO/Fe3O4的晶体结构良好,XRD谱图中同时存在UiO-66-NH2/GO和Fe3O4的衍射峰。FT-IR光谱在580 cm-1的附近出现了较为强烈的Fe-O-Fe典型吸收峰,同时在XPS的谱图中可以观察到Fe3+的特征峰,这表明了复合材料中有Fe3O4的存在。与UiO-66-NH2相比,UiO-66-NH2/GO/Fe3O4的热稳定性和比表面积均有所下降,但是微孔体积和总孔体积仍高于UiO-66-NH2。UiO-66-NH2/GO/Fe3O4的饱和磁化强度为50.89emu/g,具有足够的磁性能够通过磁场从溶液中分离出来。UiO-66-NH2/GO/Fe3O4对水体中硼的吸附性能略低于UiO-66-NH2/GO,但是依旧高于UiO-66-NH2和许多其它硼吸附剂,其同样保持了良好的再生性能,经过了3次循环后对硼的吸附量降低了4.2%。拟二级动力学模型和颗粒内扩散模型同样能够很好地拟合硼的吸附数据,吸附等温线的拟合结果也更符合Langmuir模型,最大吸附容量为192.31 mg/g。吸附热力学表明,UiO-66-NH2/GO/Fe3O4上对硼的吸附同样是自发可行的,对硼的吸附是一个吸热过程,且有着良好的亲和力。在规定的测试范围内,响应面优化模型也表现出了高度的兼容性,吸附剂投加量为94.712 mg/L、pH值为4.101、温度为318k是模型拟合的最佳条件,预计对硼的最大吸附容量为25.36 mg/g,与实际实验值仅偏差了1.3%。两种吸附材料都表现出了对硼良好的吸附性能,证明了两者都是高度实用的吸附剂,可用于从淡化海水中去除硼。该研究将金属有机框架复合材料作为吸附剂,为淡化海水中除硼的理论研究和工程应用提供了新的方向和思路。
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