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金属有机骨架材料的合成及其在去除水中 PPCPs 中的应用

文献类型:学位论文

作者熊平
答辩日期2021-06
文献子类硕士
授予单位中国科学院大学;中国科学院生态环境研究中心
授予地点北京
导师廖春阳
关键词金属有机骨架材料,cu 掺杂的 Mil-101(Fe),uIo-66,吸附,药物及个人护理用品 metal-organic Frameworks, Cu-doped Mil-101(Fe), Io-66, Adsorption, Ppcps
学位名称理学硕士
学位专业环境科学
其他题名Synthesis of Metal-Organic Framework Materials and Their Applications in Removal of Pharmaceuticals and Personal Care Products from Waters
英文摘要

      随着药物及个人护理用品(Pharmaceuticals and Personal Care Products, PPCPs) 在人们日常生活中的重要性逐渐增加,其生产量和使用量越来越大,加上存在一 定的过度使用现象,因而导致 PPCPs 大量释放并广泛地存在于各类水体环境中。 研究表明这类物质对水生态环境以及人类的健康存在着一定的风险。因此水中 PPCPs 污染的消除是一个重要的环境问题。吸附法由于操作简易性、稳定性以及 经济性等优点被认为是一种去除水中 PPCPs 的有效方法。金属有机骨架(Metal Organic Frameworks, MOFs)材料是一种新型多孔材料,具有大的比表面积、高 的孔隙率和孔容量以及丰富的表面官能团等特点,使其具备了吸附去除水中各类 污染物的先决条件,因此被认为是一种具有广泛应用前景的吸附剂。基于此,本 论文通过不同方法成功合成出了两种 MOFs 材料,分别为通过金属离子掺杂的 方法合成出的 Cu 掺杂的 Mil-101(Fe)以及通过调控合成时间和温度合成出的 UiO-66,并考察了它们对水中 PPCPs 的吸附去除能力。本论文为 MOFs 材料在 吸附去除水中 PPCPs 的应用提供了一定的数据基础。

      通过一步溶剂热法合成出了一种新型 Cu 掺杂 Mil-101(Fe)材料(以下简称 CuMil101),并将其用于水中布洛芬和萘普生的吸附去除。吸附实验结果表明 Cu2+与 Fe3+摩尔比为 0.2 时合成出的 CuMil101-2 对布洛芬和萘普生的吸附效果 最佳。Cu2+的掺杂使材料由原来的八面体转变为锥形形貌,同时材料的长宽尺寸 扩大约 1 倍,其孔径显著增大。吸附去除实验结果显示 CuMil101-2 对布洛芬和 萘普生的吸附符合拟二级吸附动力学模型以及 Langmuir 吸附等温线模型,提示 这种吸附是一个化学作用为主的单层吸附过程。CuMil101-2 对布洛芬和萘普生 的最大拟合吸附容量分别为 497.3 和 396.5 mg/g。溶液的 pH 高于 11 时会显著降 低 CuMil101-2 对布洛芬和萘普生的吸附效果,但溶液 pH 处于 3-9 之间时对吸附 几乎没有影响。离子强度(NaCl)以及水中腐殖酸的存在不会影响 CuMil101-2 对布洛芬和萘普生的吸附。吸附机理研究结果表明 π-π 作用和氢键作用在 CuMil101-2 对布洛芬和萘普生吸附去除时起主要作用。5 次吸附-脱附实验表明 CuMil101-2 具有优异的稳定性,可循环使用。

       通过改变合成的温度以及时间合成出了两种 UiO-66 材料,并将其用于吸附 去除水中的一种新型 PPCP(氯贝酸)。理化性质表征表明两种 UiO-66 的主要差 别在于比表面积和孔特性,UiO-66-2 的比表面积以及孔容量分别是 UiO-66-1 的 3.4 和 2.47 倍。更大的比表面积以及孔体积使 UiO-66-2 对氯贝酸的吸附效果优 于 UiO-66-1。吸附动力学实验结果提示 UiO-66 对氯贝酸的吸附符合拟二级动力 学模型,吸附过程为化学吸附;同时吸附等温线实验结果揭示 UiO-66 对氯贝酸 的吸附符合 Langmuir 模型,吸附过程为单层吸附模式,UiO-66-2 和 UiO-66-1 对 氯贝酸的最大拟合吸附容量分别为 428.5 和 216.7 mg/g。材料对氯贝酸的去除率 随着溶液 pH 以及离子强度的上升而下降;当浓度低于 20 mg/L 时,腐殖酸对材 料吸附氯贝酸没有影响,而浓度进一步上升则会降低对氯贝酸的去除效果。通过 对吸附机理的研究,发现 UiO-66 吸附氯贝酸的过程中存在着 π-π 作用。5 次吸 附-脱附实验表明 UiO-66 具有优异的稳定性及一定的循环使用性。

       以上研究结果表明通过异质掺杂或自身理化性质的改变都能显著影响 MOFs 材料对水中有机污染物的吸附去除效果。因此,结合 MOFs 材料的自身特 质,通过科学合理的条件优化或异质功能化,能够制备出对水环境中包括 PPCPs 在内的有机污染物的高效吸附材料。该研究为基于 MOFs 的吸附材料的开发和 应用拓展提供了一定的理论基础和技术实践。

页码86
源URL[https://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/47106]  
专题生态环境研究中心_环境化学与生态毒理学国家重点实验室
推荐引用方式
GB/T 7714
熊平. 金属有机骨架材料的合成及其在去除水中 PPCPs 中的应用[D]. 北京. 中国科学院大学;中国科学院生态环境研究中心. 2021.

入库方式: OAI收割

来源:生态环境研究中心

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