CN109821575B - 一种铽基金属有机骨架材料Tb-MOF及其制备方法、亚甲基蓝染料光催化降解方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种铽基金属有机骨架材料Tb‑MOF及其制备方法、亚甲基蓝染料光催化降解方法,设计合成了一种MOF配合物,两种有机配体与Tb(NO3)3·6H2O溶于水中,搅拌均匀后放入超声仪中进行超声,待其分散均匀后装入高压反应釜中,于120℃下反应48h,待温度降至室温,即得到红色晶体。该材料在光照的条件下对亚甲基蓝染料具有优异的降解效果,同时合成条件简单,配体价格低廉且可循环利用,对于生态环保具有较高的效益。
Description
技术领域
本发明属于化学领域,特别涉及铽基金属有机骨架材料Tb-MOF及其制备方法、亚甲基蓝染料光催化降解方法。
背景技术
在纺织,造纸,塑料,食品加工,化妆品和染料制造的不同工业中,排放的废水之中包含各种各样的染料,染料具有很强的毒性以及致癌性,排放到环境中会对生态系统和人体健康构成严重的威胁。在自然条件下,染料是很难降解的,染料废水处理是目前研究的一个重要领域,处理染料废水的方法包括吸附法、超滤法、离子交换法和生物氧化处理法等,其中吸附法由于成本低、效率高且原理简单等优点,成为近年来科学工作者研究的热点,但随着工业的不断发展,传统的吸附剂已经不能满足废水处理的要求。MOF材料具有高比表面积、高孔隙率和化学可调控性等优点,开展金属有机骨架材料在有机染料废水处理方向的研究前景广阔。
张林等人通过钛酸异丙酯和甘氨酸改性二氧化钛,并以此为吸附剂吸附亚甲基蓝和酸性红,结果表明,经过甘氨酸改性的二氧化钛对亚甲基蓝和酸性红的吸附能力大幅提升,最大吸附量分别为49.25mg/g和43.98mg/g。黄永兰等采用静电纺丝技术制备碳纳米管-聚丙烯腈(CNT-PAN)复合纳米纤维膜,增强聚丙烯晴纳米纤维的染料吸附性能。结果表明,碳纳米管的含量为12%时,对于亚甲基蓝的吸附率达到了83.77%,明显高于聚丙烯晴纳米纤维膜的吸附率(64.75%)。Tb-MOF材料在光催化的作用下降解率高,且直接取出就可以循环使用,资源利用率高。
中国专利201611065252.8公开了Eu-MOF多色发光晶体材料和Tb-MOF绿光晶体材料及其制备方法,其中,Eu-MOF多色发光晶体材料和Tb-MOF绿光
晶体材料均为单组份,化学组成分别为:[Eu4(4,4’-二苯醚二甲酸)6(H2O)9]·(H2O)、[Tb4(4,4’-二苯醚二甲酸)6(H2O)9]·(H2O),并且Eu-MOF多色发光晶体材料可实现白光发射。该发明的有益之处在于:(1) Eu-MOF多色发光晶体材料和Tb-MOF绿光晶体材料不仅具有良好的热稳定性和光稳定性,而且还具有较高的发光效率,是一种优良的新型高效发光晶体材料;(2)在低温水热条件下进行制备,工艺简单,条件要求比较宽松,成本较低,重复性好,并且对环境没有污染,可以进行大批量生产。但是考虑到其不能循环利用,利用率低,现有技术就显得略有不足。本发明中的铽基金属有机骨架材料同样具有优异的热稳定性和光稳定性,制备方法采用的是水热反应,使得合成体系维持在一定的自生压力范围内,该方法能够制备出性能优异的多孔纳米材料,工艺简单,重复性好,并且可以批量生产。特别是Tb-MOF还具有较合适的带隙,是一种优良的半导体型材料,能作为光催化剂循环持续降解特定有机污染物。
发明内容
解决的技术问题:本申请主要是提出一种铽基金属有机骨架材料Tb-MOF及其制备方法、亚甲基蓝染料光催化降解方法,解决现有技术中存在的不能循环利用、利用率低等技术问题,提高对染料的吸附效果以及资源利用率,使材料具有可循环利用。
技术方案:
一种铽基金属有机骨架材料Tb-MOF的制备方法,包括如下步骤:
第一步:称取4-羟基-3-硝基苯甲酸、2,2-联吡啶、Tb(NO3)3·6H2O;
第二步:在20mL聚四氟乙烯内衬中,将4-羟基-3-硝基苯甲酸和2,2-联吡啶溶于12ml水中,然后再加入铽基金属Tb(NO3)3·6H2O,在100Hz下超声半个小时将其混合,再聚四氟乙烯内衬装入不锈钢反应釜中;
第三步:将不锈钢反应釜在115-125℃烘箱中加热晶化,待温度降至室温,得到红色颗粒状晶体铽基金属有机骨架材料Tb-MOF。
作为本发明的一种优选技术方案:所述第一步中4-羟基-3-硝基苯甲酸、2,2-联吡啶和Tb(NO3)3·6H2O的质量份数比为2:1:4。
作为本发明的一种优选技术方案:所述第三步中加热晶化时间≥48h。
一种铽基金属有机骨架材料Tb-MOF,所述铽基金属有机骨架材料Tb-MOF采用上述任一所述的制备方法制备而成,且所述铽基金属有机骨架材料Tb-MOF适用于光催化降解亚甲基蓝染料,所述铽基金属有机骨架材料Tb-MOF在300~400℃发生相变。
一种亚甲基蓝染料光催化降解方法,采用如上所述的铽基金属有机骨架材料Tb-MOF光催化12h降解亚甲基蓝染料。
作为本发明的一种优选技术方案:先测定亚甲基蓝的最大吸收波长为664nm,并配置等体积不同浓度的亚甲基蓝染料溶液,分别建立不同浓度的亚甲基蓝染料溶液标准曲线,曲线拟合得出亚甲基蓝染料溶液的吸光度和浓度满足以下关系:Abs吸光度=0.144C浓度+0.0035。
作为本发明的一种优选技术方案:将等量的Tb-MOF加入到相同浓度、相同体积的亚甲基蓝染料溶液中,在12h内每隔15-150min测试亚甲基蓝染料溶液的浓度, Tb-MOF对亚甲基蓝染料无吸附效果。
作为本发明的一种优选技术方案:将等体积Tb-MOF加入到相同浓度亚甲基蓝染料溶液中,置于氙灯下照射,12h内每隔15-150min测定亚甲基蓝染料溶液的浓度, Tb-MOF对亚甲基蓝染料溶液有明显的降解效果,其降解率达到96%,单位质量的Tb-MOF处理亚甲基蓝的质量达到421.25mg。
作为本发明的一种优选技术方案:将降解结束的Tb-MOF取出,重新加入到新的相同浓度和相同体积的亚甲基蓝染料溶液中,置于氙灯下照射,12h后测试溶液的浓度,在光催化作用下,Tb-MOF材料能持续降解亚甲基蓝。
有益效果:本申请所述铽基金属有机骨架材料Tb-MOF及其制备方法、亚甲基蓝染料光催化降解方法采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
1、生物氧化处理法是通过分解有机染料并生成新化合物来消除染料,会产生二次污染,不利用环境的保护。
2、提高对染料的吸附效果以及资源利用率,使材料具有可循环利用。
3、吸附法虽然能够直接吸附某些染料,但是若想重复使用,则需要进行复杂的脱附过程。
4、在光催化的作用下Tb-MOF能对亚甲基蓝产生降解作用,12h内降解率高达96%,单位质量的Tb-MOF处理亚甲基蓝的质量达到421.25mg,且材料能够循环使用,相对于其他方法,本发明实验条件和步骤简单,配方价格低廉,资源利用率高。
附图说明:
图1为Tb-MOF材料的热分析曲线图;
图2为Tb-MOF材料的结构图;
图3 为Tb-MOF材料的XRD图谱;
图4为亚甲基蓝染料标准曲线;
图5是Tb-MOF材料的在有无光催化作用下对亚甲基蓝染料降解效果对比图;
图6是亚甲基蓝染料光谱扫描曲线;
图7是光催化下Tb-MOF材料循环降解亚甲基蓝染料实际效果图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
粉末X-射线衍射检测使用的仪器为Bruker D8 ADVANCE。
单晶X-射线衍射分析使用的仪器为Bruker D8 venture衍射仪,测定温度为293K。
热重分析TGA示差扫描量热DSC使用岛津的TGA-51/51H进行测试。
染料浓度测定使用的仪器为普析TU-1901。
光催化使用的仪器为PLS-SXE300氙灯光源。
实施例1
一种铽基金属有机骨架材料Tb-MOF及其制备方法、亚甲基蓝染料光催化降解方法,在20mL聚四氟乙烯内衬中,将4-羟基-3-硝基甲苯酸0.1g 和2’2联吡啶0.05g加入12mL水中,然后再加入铽基金属Tb(NO3)3·6H2O 0.2g,超声反应半小时将其混合。将聚四氟乙烯内衬装入不锈钢反应釜中,放入烘箱,在120℃条件下反应2天,待温度降至室温,得到红色颗粒状晶体Tb-MOF。如图2所示, Tb-MOF的金属中心Tb原子为8配位,每个Tb原子分别与6个O原子配位和2个N原子配位,O来自4-羟基-3-硝基苯甲酸的羟基,羧基和硝基,2个N原子来自2,2-联吡啶,一起构成Tb-MOF中Tb原子的配位环境。
如图1所示,将Tb-MOF进行热重测试。结果表明该Tb-MOF常温下稳定性良好,在300℃左右才会开始分解。
对亚甲基蓝进行光谱扫描,其最大吸收波长为664nm,如图6所示,从图中可以得出不同的波长,亚甲基蓝的吸光度不同,在664nm时候吸光度最大。
Tb-MOF材料对亚甲基蓝进行光催化降解三次实验,对比去除率和处理量步骤如下:
第一步,实验前准备:配置一组浓度分别为25mg/L、12.5 mg/L、0 mg/L的等体积亚甲基蓝染料溶液,分别建立不同浓度的亚甲基蓝染料溶液标准曲线。测量亚甲基蓝最大吸收波长为664nm。如图4所示,曲线拟合得出亚甲基蓝其吸光度和浓度满足以下关系:Abs(吸光度)=0.144C(浓度)+0.0035。如图3所示,实测结果与模拟曲线基本吻合。
第二步,吸附实验:配置一组浓度为35 mg/L的亚甲基蓝染料溶液,每份50ml。每份溶液中加入0.004g Tb-MOF材料后,常温下静置,每隔15-150min,测定亚甲基蓝染料溶液的浓度。结果表明,Tb-MOF材料对亚甲基蓝没有吸附效果。
第三步,光催化实验:配置一组体积为50ml浓度为35mg/L亚甲基蓝染料溶液,每份溶液中加入0.004g Tb-MOF材料后,置于氙灯下照射,每隔15-150min,测定亚甲基蓝染料溶液的浓度,直到12h,绘制浓度变化曲线,如图5所示吸附实验中,亚甲基蓝染料溶液的浓度基本不变,说明Tb-MOF材料对亚甲基蓝无明显吸附效果。光催化实验中,其浓度随时间不断下降,且降解率能够达到96%,处理量达到421.25mg/g,说明在光催化作用下Tb-MOF材料对亚甲基蓝有明显的降解效果。
第四步,循环性探究实验:将第三步降解结束的Tb-MOF材料取出,重新加入新的相同浓度和相同体积的亚甲基蓝染料溶液中,置于氙灯下照射,12h后测试其浓度的变化,结果表明,光催化下,Tb-MOF材料依然能够持续降解亚甲基蓝,表1是使用相同Tb-MOF材料的三轮光催化实验中染料去除率和处理量的对比表。去除率由96%变化到91.14%,处理量由421.25mg/g变化到398.75mg/g,无明显下降,可见Tb-MOF材料具有较好的循环利用率。
第一轮 | 第二轮 | 第三轮 | |
初始浓度(mg/L) | 35 | 35 | 35 |
平衡浓度(mg/L) | 1.3 | 1.3 | 3.1 |
去除率 | 96% | 96% | 91.14% |
处理(mg/g) | 421.25 | 421.25 | 398.75 |
表1:Tb-MOF材料循环使用时对亚甲基蓝去除率及处理量对比表
如图7所示,光催化处理后蓝色明显褪去,直观体现Dy-MOF材料对亚甲基蓝具有很强的降解作用。
第五步:计算三次实验染料去除率和处理量,其计算公式分别如下:
Q——在平衡浓度为Co时的降解容量,mg/g;
V——吸附质溶液体积,L;
Co——溶液初始质量浓度,mg/L;
Ce——降解后剩余质量浓度,mg/L;
m——Tb-MOF材料质量,g。
D——去除率。
由于吸附溶液体积均是50ml,溶液初始质量浓度均为35mg/L,Tb-MOF的质量均为0.004g,根据第一轮、第二轮和第三轮降解后剩余的质量浓度1.3mg/L、1.3mg/L、3.1mg/L以及上述去除率和处理量的计算公式可得第一轮、第二轮和第三轮的去除率分别为96%、96%和91.14%,第一轮、第二轮和第三轮的处理量分别为421.25mg/g、421.25mg/g和398.75mg/g。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (7)
1.一种铽基金属有机骨架材料Tb-MOF在亚甲基蓝染料光催化降解中的应用,其特征在于,包括如下步骤:
第一步:称取4-羟基-3-硝基苯甲酸、2,2-联吡啶、Tb(NO3)3·6H2O
第二步:在20mL聚四氟乙烯内衬中,将4-羟基-3-硝基苯甲酸和2,2-联吡啶溶于12mL水中,然后再加入铽基金属盐Tb(NO3)3·6H2O,在100Hz下超声半个小时将其混合,再将聚四氟乙烯内衬装入不锈钢反应釜中;
第三步:将不锈钢反应釜在115-125℃烘箱中加热晶化,待温度降至室温,得到红色颗粒状晶体铽基金属有机骨架材料Tb-MOF;所述铽基金属有机骨架材料Tb-MOF适用于光催化降解亚甲基蓝染料,所述铽基金属有机骨架材料Tb-MOF在300~400℃发生相变;所述的铽基金属有机骨架材料Tb-MOF光催化12h降解亚甲基蓝染料。
2.根据权利要求1所述的铽基金属有机骨架材料Tb-MOF在亚甲基蓝染料光催化降解中的应用,其特征在于:所述第一步中4-羟基-3-硝基苯甲酸、2,2-联吡啶和Tb(NO3)3·6H2O的质量份数配比为2:1:4。
3.根据权利要求1所述的铽基金属有机骨架材料Tb-MOF在亚甲基蓝染料光催化降解中的应用,其特征在于:第三步中加热晶化时间≥48h。
4.根据权利要求1所述的铽基金属有机骨架材料Tb-MOF在亚甲基蓝染料光催化降解中的应用,其特征在于:先测定亚甲基蓝的最大吸收波长为664nm,配置一组浓度分别为25mg/L,12.5 mg/L,0 mg/L的等体积亚甲基蓝染料溶液,分别建立不同浓度的亚甲基蓝染料溶液标准曲线,曲线拟合得出亚甲基蓝染料溶液的吸光度和浓度满足以下关系:Abs吸光度=0.144C浓度+0.0035。
5.根据权利要求1所述的铽基金属有机骨架材料Tb-MOF在亚甲基蓝染料光催化降解中的应用,其特征在于:将等量的Tb-MOF加入到相同浓度、相同体积的亚甲基蓝染料溶液中,在12h内每隔15-150min测试亚甲基蓝染料溶液的浓度, Tb-MOF对亚甲基蓝染料无吸附效果。
6.根据权利要求1所述的铽基金属有机骨架材料Tb-MOF在亚甲基蓝染料光催化降解中的应用,其特征在于:将等体积Tb-MOF加入到相同浓度亚甲基蓝染料溶液中,置于氙灯下照射,12h内每隔15-150min测定亚甲基蓝染料溶液的浓度, Tb-MOF对亚甲基蓝染料溶液有明显的降解效果,其降解率达到96%,单位质量的Tb-MOF处理亚甲基蓝的质量达到421.25mg/g。
7.根据权利要求6所述的铽基金属有机骨架材料Tb-MOF在亚甲基蓝染料光催化降解中的应用,其特征在于:将降解结束的Tb-MOF取出,重新加入到新的相同浓度和相同体积的亚甲基蓝染料溶液中,置于氙灯下照射,12h后测试溶液的浓度,在光催化作用下,Tb-MOF材料能持续降解亚甲基蓝。
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