CN104525134B - 以锌基介孔硅为载体的光响应吸附剂、制备方法及应用 - Google Patents

以锌基介孔硅为载体的光响应吸附剂、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以锌基介孔硅为载体的光响应吸附剂、制备方法及应用，该吸附剂能够智能调节孔径，改变平衡吸附量，提高吸附选择性。本发明的以锌基介孔硅为载体的光响应吸附剂，是负载了光响应分子的锌基介孔硅材料，所述的光响应分子具有以下式a、b、c、d或e的结构：

Description

以锌基介孔硅为载体的光响应吸附剂、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种吸附剂、制备方法及其应用，更具体的说涉及一种以锌基介孔硅为
载体的光响应吸附剂、制备方法及应用。
背景技术
现有的吸附剂主要分为微孔吸附剂和介孔吸附剂，微孔吸附剂主要包括碳分子筛、活性炭、石墨纳米纤维等。虽然微孔吸附剂选择性高，单不可避免的存在一些不足，比如微孔吸附量低，微孔太多使孔的利用率太低，不能有效地吸附大分子。而介孔吸附剂虽然弥补了微孔吸附剂的不足，但是较大的孔径使得介孔吸附剂的选择性降低。光响应吸附剂是选择具有均一有序的孔道的介孔二氧化硅材料作为载体，利用具有光响应性能的偶氮苯衍生物作为“阀门分子”来控制吸附剂的孔径，这样同时克服了微孔材料吸附量小以及介孔材料选择性低的问题。
由于未进处理的纯的介孔二氧化硅缺乏化学活性，在化学工业中的应用十分有限，一种高效的方法就是在纯的介孔二氧化硅的骨架中引入其他原子，目的在于改造介孔分子筛骨架的物理化学性质，制得更具稳定性和介观有序性的载体。偶氮苯衍生物作为一种具有良好感光性的物质，在光响应功能材料的研究中具有重要作用，利用光响应分子在紫外-可见光条件下能够发生可逆顺反异构导致尺寸变化，将光响应分子引入到介孔载体上，构筑“分子阀门”系统，能够实现对吸附剂孔径的调节，得到一种新型的光响应吸附剂。此介孔光响应材料不仅克服了微孔吸附剂吸附量低、孔利用率低的不足，又避免了介孔吸附剂选择性相对较差的缺点。通过合成方法把光响应分子引入到锌基介孔二氧化硅纳米材料中，能够实现紫外光-可见光对该吸附剂的孔径调节，从而实现对不同尺寸吸附质的选择性吸附。现有技术中没有关于孔径可调的光响应吸附剂的制备以及应用方面的报道。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术中存在的问题与不足，提供一种以锌基介孔硅为载体的光响应吸附剂，能够智能调节孔径，改变平衡吸附量，提高吸附选择性。
本发明的另一个目的是提供上述光响应吸附剂的制备方法。
本发明的再一目的是提供该能光响应吸附剂在吸附染料中的应用，实现对不同直径大小的染料选择性吸附。
本发明是通过以下技术方案是实现的。
本发明的以锌基介孔硅为载体的光响应吸附剂，是负载了光响应分子的锌基介孔硅材料，所述的光响应分子具有以下式a、b、c、d或e的结构：
本发明上述的光响应吸附剂，其进一步的技术方案是所述的锌基介孔硅中修饰的锌元素与介孔硅材料中的硅元素的摩尔比为0.005～0.25。
本发明上述的光响应吸附剂，其进一步的技术方案还可以是所述的锌基介孔硅中提供锌元素的化合物为硝酸锌、氯化锌或硫酸锌；所述的介孔硅为SBA-15、MCM-41、MCM-48介孔氧化硅分子筛中的一种或其组合。其分子筛SBA-15、MCM-41、MCM-48是通过硅源TEOS(正硅酸四乙酯)水解，并分别以表面活性剂P123(EO20PO70EO20)、CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)为模板剂合成的介孔硅基材料，其模板剂在酸醇条件下萃取。
本发明上述的光响应吸附剂，其进一步的技术方案是所述的光响应分子质量占介孔分子筛质量的0.5～10％。
本发明上述的光响应吸附剂的制备方法，是采用原位合成法的方法合成智能光响应吸附剂。进一步的技术方案是包括以下步骤：在介孔氧化硅分子筛SBA-15、MCM-41、MCM-48的合成过程中，在硅源水解之前加入具有以下式a、b、c、d或e结构的光响应分子，
本发明上述的光响应吸附剂可以在吸附染料中进行应用。优选地，其应用时吸附染料时染料溶液与吸附剂接触的条件是：染料浓度是2～20ppm，温度为室温，压力为常压。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：
本发明的吸附剂主要是利用光响应分子在紫外-可见光条件下能够发生顺反异构导致尺寸变化，从而起到调节材料孔径的作用，材料以介孔分子筛作为载体克服了传统微孔吸附剂吸附量小的不足，光响应分子调节孔径弥补了介孔吸附剂选择性差的缺点。以不同直径的染料分子为吸附质模型，通过调节孔径实现对不同尺寸染料的选择性吸附。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。
实施例1
吸附剂的制备：称取1.0048g十六烷基三甲基溴化铵，2.0028g硫酸锌，量取480mL去离子水以及3.5mL(2M)氢氧化钠溶液，将上述混合搅拌加热至80℃并恒温半小时。再称取0.2650g光响应分子a溶入5mL乙醇，再加入5mL正硅酸四乙酯，混合后移入滴定管，然后逐滴加入到烧杯中并伴随着剧烈搅拌，恒温反应2h。取出样品过滤，洗涤，80℃真空干燥12h。称取将上述制得的样品0.5020g，加入100mL甲醇和1mL(1M)盐酸，回流4h，取出样品过滤，80℃真空干燥12h。即可得光响应吸附剂a1-Zn/MCM-41。
吸附应用实验：称取0.0020g的上述样品经过450nm可见光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h；称取0.0020g的上述样品经过365nm紫外光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h，吸附剂可见光光照后相比于紫外光光照后对孟加拉玫瑰红和罗丹明b的选择性从4.9提高到5.0。
实施例2
吸附剂的制备：称取1.0022g十六烷基三甲基溴化铵，1.5028g硫酸锌，量取480mL去离子水以及3.5mL(2M)氢氧化钠溶液，将上述混合搅拌加热至80℃并恒温半小时。再称取0.5300g光响应分子a溶入5mL乙醇，再加入5mL正硅酸四乙酯，混合后移入滴定管，然后逐滴加入到烧杯中并伴随着剧烈搅拌，恒温反应2h。取出样品过滤，洗涤，80℃真空干燥12h。称取将上述制得的样品0.5020g，加入100mL甲醇和1mL(1M)盐酸，回流4h，取出样品过滤，80℃真空干燥12h。即可得光响应吸附剂a2-Zn/MCM-41。
吸附应用实验：称取0.0020g的上述样品经过450nm可见光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h；称取0.0020g的上述样品经过365nm紫外光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h，吸附剂可见光光照后相比于紫外光光照后对孟加拉玫瑰红和罗丹明b的选择性从4.4提高到6.3。
实施例3
吸附剂的制备：称取1.0056g十六烷基三甲基溴化铵，1.0038g硫酸锌，量取480mL去离子水以及3.5mL(2M)氢氧化钠溶液，将上述混合搅拌加热至80℃并恒温半小时。再称取0.7950g光响应分子a溶入5mL乙醇，再加入5mL正硅酸四乙酯，混合后移入滴定管，然后逐滴加入到烧杯中并伴随着剧烈搅拌，恒温反应2h。取出样品过滤，洗涤，80℃真空干燥12h。称取将上述制得的样品0.5011g，加入100mL甲醇和1mL(1M)盐酸，回流4h，取出样品过滤，80℃真空干燥12h。即可得光响应吸附剂a3-Zn/MCM-41。
吸附应用实验：称取0.0020g的上述样品经过450nm可见光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h；称取0.0020g的上述样品经过365nm紫外光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h，吸附剂可见光光照后相比于紫外光光照后对孟加拉玫瑰红和罗丹明b的选择性从3.6提高到6.8。
实施例4
吸附剂的制备：称取1.0012g十六烷基三甲基溴化铵，0.5028g硫酸锌，量取480mL去离子水以及3.5mL(2M)氢氧化钠溶液，将上述混合搅拌加热至80℃并恒温半小时。再称取1.0602g光响应分子a溶入5mL乙醇，再加入5mL正硅酸四乙酯，混合后移入滴定管，然后逐滴加入到烧杯中并伴随着剧烈搅拌，恒温反应2h。取出样品过滤，洗涤，80℃真空干燥12h。称取将上述制得的样品0.5042g，加入100mL甲醇和1mL(1M)盐酸，回流4h，取出样品过滤，80℃真空干燥12h。即可得光响应吸附剂a4-Zn/MCM-41。
吸附应用实验：称取0.0020g的上述样品经过450nm可见光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h；称取0.0020g的上述样品经过365nm紫外光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h，吸附剂可见光光照后相比于紫外光光照后对孟加拉玫瑰红和罗丹明b的选择性从6.0提高到12.0。
实施例5
吸附剂的制备：将2.0021g的P123溶解在75g的HCl溶液(2M)中，加入1.5011g硫酸锌，待形成的均相溶液后调节体系指40℃后，将1.0611g光响应分子a溶入5mL乙醇，再加入5mL正硅酸四乙酯，混合后移入滴定管，然后逐滴加入到烧杯中并伴随着剧烈搅拌，然后将体系温度升至100℃，再次温度下陈化24h。取出样品过滤，洗涤，80℃真空干燥12h。称取将上述制得的样品0.5010g，加入100mL甲醇和1mL(1M)盐酸，回流4h。取出样品过滤，80℃真空干燥12h。即可得光响应吸附剂a1-Zn/SBA-15。
吸附应用实验：称取0.0020g的上述样品经过450nm可见光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h；称取0.0020g的上述样品经过365nm紫外光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h，吸附剂可见光光照后相比于紫外光光照后对孟加拉玫瑰红和罗丹明b的选择性从5.2提高到7.0。
实施例6
吸附剂的制备：称取0.8006g十六烷基三甲基溴化铵，1.0013g硫酸锌，量取40mL去离子水以及6mL(2M)氢氧化钠溶液，将上述混合体系室温搅拌半小时。再称取1.0600g光响应分子a溶入5mL乙醇，再加入5mL正硅酸四乙酯，混合后移入滴定管，然后逐滴加入到烧杯中并伴随着剧烈搅拌，然后升温至110℃并在此温度下晶化3天。取出样品过滤，洗涤，80℃真空干燥12h。称取将上述制得的样品0.5000g，加入100mL甲醇和1mL(1M)盐酸，回流4h。取出样品过滤，80℃真空干燥12h。即可得光响应吸附剂a1-Zn/MCM-48。
吸附应用实验：称取0.0020g的上述样品经过450nm可见光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h；称取0.0020g的上述样品经过365nm紫外光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h，吸附剂可见光光照后相比于紫外光光照后对孟加拉玫瑰红和罗丹明b的选择性从4.8提高到9.0。
实施例7
吸附剂的制备：称取1.0046g十六烷基三甲基溴化铵，1.0036g硫酸锌，量取480mL去离子水以及3.5mL(2M)氢氧化钠溶液，将上述混合搅拌加热至80℃并恒温半小时。再称取0.9050g光响应分子b溶入5mL乙醇，再加入5mL正硅酸四乙酯，混合后移入滴定管，然后逐滴加入到烧杯中并伴随着剧烈搅拌，恒温反应2h。取出样品过滤，洗涤，80℃真空干燥12h。称取将上述制得的样品0.5011g，加入100mL甲醇和1mL(1M)盐酸，回流4h，取出样品过滤，80℃真空干燥12h。即可得光响应吸附剂b1-Zn/MCM-41。
吸附应用实验：称取0.0020g的上述样品经过450nm可见光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h；称取0.0020g的上述样品经过365nm紫外光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h，吸附剂可见光光照后相比于紫外光光照后对孟加拉玫瑰红和罗丹明b的选择性从3.5提高到8.0。
实施例8
吸附剂的制备：称取1.0056g十六烷基三甲基溴化铵，1.0038g硫酸锌，量取480mL去离子水以及3.5mL(2M)氢氧化钠溶液，将上述混合搅拌加热至80℃并恒温半小时。再称取0.9450g光响应分子c溶入5mL乙醇，再加入5mL正硅酸四乙酯，混合后移入滴定管，然后逐滴加入到烧杯中并伴随着剧烈搅拌，恒温反应2h。取出样品过滤，洗涤，80℃真空干燥12h。称取将上述制得的样品0.5019g，加入100mL甲醇和1mL(1M)盐酸，回流4h，取出样品过滤，80℃真空干燥12h。即可得光响应吸附剂c1-Zn/MCM-41。
吸附应用实验：称取0.0020g的上述样品经过450nm可见光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h；称取0.0020g的上述样品经过365nm紫外光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h，吸附剂可见光光照后相比于紫外光光照后对孟加拉玫瑰红和罗丹明b的选择性从3.0提高到7.3。
实施例9
吸附剂的制备：称取1.0052g十六烷基三甲基溴化铵，1.0037g硫酸锌，量取480mL去离子水以及3.5mL(2M)氢氧化钠溶液，将上述混合搅拌加热至80℃并恒温半小时。再称取1.0046g光响应分子d溶入5mL乙醇，再加入5mL正硅酸四乙酯，混合后移入滴定管，然后逐滴加入到烧杯中并伴随着剧烈搅拌，恒温反应2h。取出样品过滤，洗涤，80℃真空干燥12h。称取将上述制得的样品0.5001g，加入100mL甲醇和1mL(1M)盐酸，回流4h，取出样品过滤，80℃真空干燥12h。即可得光响应吸附剂d1-Zn/MCM-41。
吸附应用实验：称取0.0020g的上述样品经过450nm可见光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h；称取0.0020g的上述样品经过365nm紫外光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h，吸附剂可见光光照后相比于紫外光光照后对孟加拉玫瑰红和罗丹明b的选择性从4.0提高到6.8。
实施例10
吸附剂的制备：称取1.0056g十六烷基三甲基溴化铵，1.0038g硫酸锌，量取480mL去离子水以及3.5mL(2M)氢氧化钠溶液，将上述混合搅拌加热至80℃并恒温半小时。再称取1.0050g光响应分子e溶入5mL乙醇，再加入5mL正硅酸四乙酯，混合后移入滴定管，然后逐滴加入到烧杯中并伴随着剧烈搅拌，恒温反应2h。取出样品过滤，洗涤，80℃真空干燥12h。称取将上述制得的样品0.5011g，加入100mL甲醇和1mL(1M)盐酸，回流4h，取出样品过滤，80℃真空干燥12h。即可得光响应吸附剂e1-Zn/MCM-41。
吸附应用实验：称取0.0020g的上述样品经过450nm可见光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h；称取0.0020g的上述样品经过365nm紫外光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h，吸附剂可见光光照后相比于紫外光光照后对孟加拉玫瑰红和罗丹明b的选择性从6.0提高到7.8。
实施例11
吸附剂的制备：称取1.0048g十六烷基三甲基溴化铵，1.5028g硝酸锌，量取480mL去离子水以及3.5mL(2M)氢氧化钠溶液，将上述混合搅拌加热至80℃并恒温半小时。再称取0.2650g光响应分子a溶入5mL乙醇，再加入5mL正硅酸四乙酯，混合后移入滴定管，然后逐滴加入到烧杯中并伴随着剧烈搅拌，恒温反应2h。取出样品过滤，洗涤，80℃真空干燥12h。称取将上述制得的样品0.5007g，加入100mL甲醇和1mL(1M)盐酸，回流4h，取出样品过滤，80℃真空干燥12h。即可得光响应吸附剂a1-Zn(NO3)2/MCM-41。
吸附应用实验：称取0.0020g的上述样品经过450nm可见光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h；称取0.0020g的上述样品经过365nm紫外光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h，吸附剂可见光光照后相比于紫外光光照后对孟加拉玫瑰红和罗丹明b的选择性从4.5提高到5.0。
实施例12
吸附剂的制备：称取1.0021g十六烷基三甲基溴化铵，1.5022g硝酸锌，量取480mL去离子水以及3.5mL(2M)氢氧化钠溶液，将上述混合搅拌加热至80℃并恒温半小时。再称取0.2650g光响应分子a溶入5mL乙醇，再加入5mL正硅酸四乙酯，混合后移入滴定管，然后逐滴加入到烧杯中并伴随着剧烈搅拌，恒温反应2h。取出样品过滤，洗涤，80℃真空干燥12h。称取将上述制得的样品0.5007g，加入100mL甲醇和1mL(1M)盐酸，回流4h，取出样品过滤，80℃真空干燥12h。即可得光响应吸附剂a1-ZnCl2/MCM-41。
吸附应用实验：称取0.0020g的上述样品经过450nm可见光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h；称取0.0020g的上述样品经过365nm紫外光光照一段时间后放入比色皿中，移取3mL的10ppm的孟加拉玫瑰红和罗丹明b染料溶液加入其中，静态吸附2h，吸附剂可见光光照后相比于紫外光光照后对孟加拉玫瑰红和罗丹明b的选择性从4.7提高到5.2。

Claims (5)

1.一种以锌基介孔硅为载体的光响应吸附剂，其特征在于该吸附剂是负载了光响应分子的锌基介孔硅材料，所述的光响应分子具有以下式b、c、d或e的结构：
所述的锌基介孔硅中修饰的锌元素与介孔硅材料中的硅元素的摩尔比为0.005～0.25；所述的锌基介孔硅中提供锌元素的化合物为硝酸锌、氯化锌或硫酸锌；所述的介孔硅为SBA-15、MCM-41、MCM-48介孔氧化硅分子筛中的一种或其组合；所述的光响应分子质量占介孔分子筛质量的0.5～10％。
2.一种如权利要求1所述的光响应吸附剂的制备方法，其特征在于是采用原位合成法的方法合成光响应吸附剂。
3.根据权利 要求2所述的制备方法，其特征在于包括以下步骤：在介孔氧化硅分子筛SBA-15、MCM-41、MCM-48的合成过程中，在硅源水解之前加入具有以下式b、c、d或e结构的光响应分子，
4.一种如权利要求1所述的光响应吸附剂在吸附染料中的应用。
5.根据权利 要求4所述的应用，其特征在于吸附染料时染料溶液与吸附剂接触的条件是：染料浓度是2～20ppm，温度为室温，压力为常压。
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