CN108579683A - 一种磺基化金属有机骨架UIO-66@mSi-SO3H的制备方法 - Google Patents
一种磺基化金属有机骨架UIO-66@mSi-SO3H的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种磺基化金属有机骨架UIO‑66@mSi‑SO3H制备方法,步骤如下,1将UIO‑66放入CTAB、无水乙醇和氨水混合液得到混合物;2将1混合物与去离子水混合加TEOS和MPTS得到白色混合物;3将2混合物离心收集并用去离子水和无水乙醇反复洗涤后抽滤获得固体;4将3固体分散在由浓盐酸和无水乙醇组成的溶液中回流后抽滤,经真空干燥获得巯基改性吸附剂;5将4中巯基改性吸附剂与甲醇、H2O2混合搅拌后用去离子水和无水乙醇反复洗涤、干燥获得磺基化改性吸附剂。有益效果:方法简单,对Cd2+的吸附力强,有效吸附Cd2+的pH范围广;对Cd2+污染提供处理方法及研究方向。
Description
技术领域
本发明属于工业污水处理、化工吸附分离科学与技术领域,具体涉及一种磺基化金属有机骨架UIO-66@mSi-SO3H的制备方法与在吸附分离水中Cd2+的应用。
背景技术
1984年联合国环境规划署提出的具有全球意义的12种危害物质中,镉(Cd)被列为首位危害物质,同时也因其范围之广,危害之大也被列为“五毒之首”。目前,我国大气颗粒物中Cd含量为(12.9±19.6)ng/m3,远高于中国环境空气质量标准(GB3095-2012)和世界卫生组织(WHO)的限量标准(5ng/m3)。工业废水排放的镉可通过受纳水体直接或间接污染农田土壤,工矿企业附近的土壤中镉含量甚至高达40-50mg/kg。因此,含镉废水的有效处理迫在眉睫。
在过去一段时间里,各类工作者们探索了各种废水去除镉的方法。传统的方法,如化学沉淀、离子交换、电解、过滤等等,但是这些都受实际技术或经济因素限制。吸附成本相对较低,应用广泛,设计及操作简单,生成少量有害的二次产品,可以有效地从水溶液中去除重金属离子等优点,尤其是在重金属离子浓度较低的情况下效果更佳。
目前,各种类型的吸附剂材料都进行了广泛的研究用于去除被污染的水溶液中镉的吸附,如碳材料、磁性纳米材料,和螯合聚合物。然而,这些吸附剂面临各种挑战,如表面积低、吸附容量低、选择性差,在很大程度上限制了它们有效的从水溶液中去除Cd(II)。正由于存在的这些缺点,吸附剂的发展需要新型高效的材料来有效去除水溶液中的Cd(II)。
如下表,目前部分已研究的吸附剂对Cd2+的吸附量均小于15mg/g。此外,参考近些年相关文献,如根据刘慧.朱霞萍.巯基改性蒙脱石对Cd2+的吸附及酸雨解吸.非金属矿.第36卷第3期.2013.05所发表的文献,材料改良后的Cd2+吸附量仅为42.65mg/g。根据谢婧如.巯基改性海泡石对Hg和Cd的吸附特征研究.2016.5.14所发表文献,材料改良后Cd2+吸附量仅为2.467mg/g。根据Jinmiao Zhang.Zhenhu Xiong.Exploring a thiol-functionalizedMOF for elimination of lead and cadmium from aqueous solution.Journal ofMolecular Liquids.2016.5.19所发表文献,材料改性后Cd2+吸附量也仅为98mg/g。
叶桂琴.功能化金属有机骨架材料在吸附重金属离子方面的应用.2015.10所发表文献,吸附材料先进行巯基化,再进一步磺基化改性后,Cd2+的吸附能力有显著提高。数据如下:Cu3(BTC)2-SO3H:Cu3(BTC)2-SH:Cu3(BTC)2=88.73mg/g:74.52mg/g:67.84mg/g。说明磺基对Cd2+的吸附量的提高存在着可能性,若能寻找出一种能寻找一种基础材料进行磺基化以获得更大的Cd2+吸附量,这对重金属处理领域起到一定的参考意义。
2002年Angela D.Kulynych等人和2007年Jiang-Feng Song等人分别研究表明:-S03H基团能够提供多个结合位点和多种的协调模式。如图1所示,磺基的多种模式,也为Cd2+吸附效果的提高增加了可能性。
金属有机骨架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)是由金属中心或者无机簇团为“节点”,羧酸类或含氮类有机多齿配体为“支柱”通过配位自组装而成的、具有周期性多维规整孔道结构的多孔晶体材料。其优点在于:(1)MOFs与传统的多孔材料如沸石分子筛、活性炭相比具有超高的比表面积(可超过7000m2/g)以及永久性的孔隙率(可达0.9cm3/g);(2)通过各种不同配位形式的金属以及合适的有机配体自组装可以使MOFs的种类千变万化,其孔道大小和形状也可以进行调控和设计;(3)MOFs的另一个优势在于,通过原位合成或者后改性的方法,可在结构上修饰各种功能化基团或金属离子,使得MOFs具有特殊的化学性质。而金属有机骨架UIO-66的优点在于:(1)UiO-66的晶体结构可在500℃下保持稳定,其骨架结构可承受1.0MPa的机械压力。UiO-66在水、DMF(N,N-二甲基甲酰胺)、苯或丙酮等溶液中可以保持结构稳定,并且还具有很强的耐酸性和一定的耐碱性;(2)以Zr为金属的UiO-66以及其它UiO系列MOFs,其[Zr6O4(OH)4]金属簇团中稳定的Zr-O键以及最高的单元配体配位数12,使这类材料成为整个MOFs家族中稳定性的佼佼者。(3)虽然UiO-66的理想配体配位数是12,但是在其实际的结构中存在一定的配体缺陷现象,这种配体缺陷在其它MOFs中并不常见。但若有适宜的配体缺陷不仅可以增强材料的多孔性,还能提高其比表面积。
发明内容
针对现有Cd2+吸附剂吸附量和稳定性不足的问题,本发明的第一目的是提供一种制备方法简单、材料更具稳定性的磺基化金属有机骨架材料UIO-66@mSi-SO3H的制备方法。
为了解决上述针对现有Cd2+吸附剂表面积不足和稳定性不足的问题,本发明的第一目的是提供一种制备方法简单、材料更具稳定性的磺基改性吸附剂,本发明采用的技术方案是:一种磺基化金属有机骨架UIO-66@mSi-SO3H的制备方法,步骤如下:
步骤S1:将预先制备的UIO-66放入CTAB、无水乙醇和氨水混合溶液中搅拌均化,得到白色混合物;
步骤S2:将步骤S1所述混合物与去离子水混合,并在强烈搅拌下,迅速滴加TEOS和MPTS,得到白色粘稠状混合物;
步骤S3:将步骤S2所述的白色混合物放入离心机离心收集,并用去离子水和无水乙醇反复洗涤,随后抽滤获得固体;
步骤S4:将步骤S3所述固体分散在由浓盐酸和无水乙醇组成的溶液中回流,回流完成后抽滤获得固体并经真空干燥后获得白色固体UIO-66@mSi-SH。
步骤S5:将甲醇和H2O2加入到步骤S4所述的白色固体中进行搅拌氧化处理,其中,UIO-66@mSi-SH:甲醇:H2O2的材料比例为1g:50mL:15-30mL。
步骤S6:用水和乙醇反复洗涤后干燥以获得白色固体,即为磺基化材料UIO-66@mSi-SO3H。
步骤S1所述UIO-66:CTAB:无水乙醇:氨水的材料比例为1g:1.2g:140mL:2.2mL,搅拌均化时间为15min。
步骤S2所述去离子水:TEOS:MPTS的材料比例为140mL:6.858mL:3.429mL。
步骤S4所述浓盐酸:无水乙醇的材料比例为1mL:100mL,回流时间为12h,回流温度为70℃,回流次数为3次,真空干燥温度为60℃。
步骤S3所述离心机离心转速为2000r/min、时间为30min;步骤S3、S4所述抽滤采用0.45mm有机滤膜。
步骤S5所述UIO-66@mSi-SH材料与甲醇混合超声10min,再与过氧化氢混合搅拌8-24h。
本发明的有益效果是:
一、磺基化金属有机骨架UIO-66@mSi-SO3H金属有机骨架在酸性条件下,能保持较高吸附量和更高的稳定性。
二、磺基化金属有机骨架UIO-66@mSi-SO3H金属有机骨架由于通过改性使表面附有大量-SO3H基团,从而增加Cd2+的吸附能力。如UIO-66@mSi-SO3H在Cd2+在300mg/L情况下,实验获得保留吸附量达191.196mg/g,与以往Cd2+吸附量(98mg/g)相比,吸附量提高了95.1%。及巯基化吸附剂UIO-66@mSi-SH(126.737mg/g)相比,吸附量提高了50.8%。
三、预期效果:由于磺基化金属有机骨架UIO-66@mSi-SO3H金属有机骨架的吸附效果是基于一定配比做出的吸附材料,且磺基对Cd2+吸附起到关键作用,因而调整磺基比例,提高磺基量,很有可能会进一步增加Cd2+吸附量,使其应用在Cd2+吸附上更具潜力。
四、预期效果:参考其他文献发现,磺基的存在对Cd2+具有选择性,故预期该新材料对Cd2+会有选择性吸附的效果,使磺基化金属有机骨架UIO-66@mSi-SO3H金属有机骨架在多种重金属共存的条件下仍能保持良好的处理效果,为Cd2+的处理起到一定参考意义,也在Cd2+处理上更具竞争力。
附图说明
图1:磺基的多种配位模式示意图;
图2:UIO-66,UIO-66@mSi-SH,UIO-66@mSi-SO3H在不同浓度下吸附效果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明但不限于此。
实施例1:
(1)将1.2g十六烷基三甲基溴化铵、280mL无水乙醇和4.4mL氨水组成混合溶液,并将预先制作的2g UIO-66分散于该溶液中搅拌均化15min。
(2)将步骤(1)中混合物与280mL去离子水混合,并在强烈搅拌下,迅速滴加13.716mL TEOS和3.406mL MPTS,强烈搅拌6h,得到白色粘稠状混合物。
(3)离心收集步骤(2)中产物,离心转速定为2000r/min离心30min。并用去离子水和无水乙醇反复洗涤,随后用0.45mm有机滤膜抽滤获得白色固体。
(4)将步骤(3)中所获固体分散在由2mL浓盐酸和200mL无水乙醇组成的溶液中,在70℃条件下回流12h,重复2次。随后用0.45mm有机滤膜抽滤获得白色固体,所获固体在60℃下真空干燥获得巯基改性吸附剂,即巯基化金属有机骨架UIO-66@mSi-SH。
(5)将步骤(4)中UIO-66@mSi-SH材料1g与甲醇50mL混合超声10min,再与H2O2 30mL混合搅拌23h,抽滤以获得固体。
(6)用无水乙醇和去离子水反复洗涤步骤(5)中产物,并于60℃下干燥获得磺基化改性吸附剂,即磺基化金属有机骨架UIO-66@mSi-SO3H。
应用实例1:
配置含有Cd2+离子的溶液50mL,Cd2+离子浓度为的溶液10-300mg/L,加入实施方案1所制备的以硅胶层为介质的磺基化金属有机骨架UIO-66@mSi-SO3H,在室温下震荡180min后滤出吸附剂,滤后测得当Cd2+离子浓度300mg/L,pH为6,吸附剂投加量为5mg时,UIO-66@mSi-SO3H保留吸附量达191.196mg/g。吸附效果如图1所示,改性后的磺基化材料UIO-66@mSi-SO3H与未改性材料UIO-66,巯基化金属有机骨架UIO-66@mSi-SH相比,其对Cd2+的吸附量有明显的改善,为含Cd2+水体提供了一种高效去除Cd2+的材料及可能性。
Claims (6)
1.一种磺基化金属有机骨架UIO-66@mSi-SO3H的制备方法,步骤如下:
步骤S1:将预先制备的UIO-66放入CTAB、无水乙醇和氨水混合溶液中搅拌均化,得到白色混合物;
步骤S2:将步骤S1所述混合物与去离子水混合,并在强烈搅拌下,迅速滴加TEOS和MPTS,得到白色粘稠状混合物;
步骤S3:将步骤S2所述的白色混合物放入离心机离心收集,并用去离子水和无水乙醇反复洗涤,随后抽滤获得固体;
步骤S4:将步骤S3所述固体分散在由浓盐酸和无水乙醇组成的溶液中回流,回流完成后抽滤获得固体并经真空干燥后获得白色固体UIO-66@mSi-SH。
步骤S5:将甲醇和H2O2加入到步骤S4所述的白色固体中进行搅拌氧化处理,其中,UIO-66@mSi-SH:甲醇:H2O2的材料比例为1g:50mL:15-30mL。
步骤S6:用水和乙醇反复洗涤后干燥以获得白色固体,即为磺基化材料UIO-66@mSi-SO3H。
2.根据权利要求1所述的一种磺基化金属有机骨架UIO-66@mSi-SO3H的制备方法,其特征在于:步骤S1所述UIO-66:CTAB:无水乙醇:氨水的材料比例为1g:1.2g:140mL:2.2mL,搅拌均化时间为15min。
3.根据权利要求1所述的一种磺基化金属有机骨架UIO-66@mSi-SO3H的制备方法,其特征在于:步骤S2所述去离子水:TEOS:MPTS的材料比例为140mL:6.858mL:3.429mL。
4.根据权利要求1所述的磺基化金属有机骨架材料UIO-66@mSi-SO3H的制备方法,其特征在于:步骤S4所述浓盐酸:无水乙醇的材料比例为1mL:100mL,回流时间为12h,回流温度为70℃,回流次数为3次,真空干燥温度为60℃。
5.根据权利要求1所述的一种磺基化金属有机骨架UIO-66@mSi-SO3H的制备方法,其特征在于:步骤S3所述离心机离心转速为2000r/min、时间为30min;步骤S3、S4所述抽滤采用0.45mm有机滤膜。
6.根据权利要求1所述的一种磺基化金属有机骨架UIO-66@mSi-SO3H的制备方法,其特征在于:步骤S5所述UIO-66@mSi-SH材料与甲醇混合超声10min,再与过氧化氢混合搅拌8-24h。
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