CN110483788A - 一种MIL-53（Fe）复合材料及其制备方法和用于降解四环素的应用 - Google Patents

一种MIL-53（Fe）复合材料及其制备方法和用于降解四环素的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属有机框架材料技术领域，尤其涉及一种MIL‑53(Fe)复合材料的制备方法，其主要包括以下步骤：S1称取对苯二甲酸和FeCl3·6H2O、S2制备混合溶液、S3进行溶剂热反应、S4得到样品、S5清理样品和S6收集样品。根据上述方法制得的所述MIL‑53(Fe)复合材料应用于降解四环素时，具有降解效果好的优点。

Description

一种MIL-53(Fe)复合材料及其制备方法和用于降解四环素的 应用
技术领域
本发明涉及金属有机框架材料技术领域，尤其涉及一种MIL-53(Fe)复合材料及其制备方法和用于降解四环素的应用。
背景技术
四环素类抗生素是目前临床上使用最多、最广泛的一类抗生素，具有水溶性高、难于生物降解性，易在水环境中蓄积的特征。所以，常用高级氧化法进行降解处理。过一硫酸盐(PMS)是一种常用的高级氧化剂，它能够分解出具有超强氧化电势的SO4 -2·(2.5～3.1eV)与OH-1(2.8eV)，进而降解有机污染物。但是过硫酸盐自身的分解效率低下，需要通过投加过渡金属等手段对其进行活化，才能够提高自由基的生产效率。能够活化PMS的过渡金属中，钴(Co)被认为是效果最好的，但Co存在对人体的毒性巨大的健康隐患。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种MIL-53(Fe)复合材料及其制备方法和用于降解四环素的应用。
本发明提供一种MIL-53(Fe)复合材料的制备方法，主要包括以下步骤：
S1、按摩尔比为1:1分别称取对苯二甲酸和FeCl3·6H2O，备用；
S2、将S1中所得的对苯二甲酸和FeCl3·6H2O依次加入到56mL的N,N－二甲基甲酰胺溶液中，并在室温下进行搅拌，直至对苯二甲酸和FeCl3·6H2O充分溶解，得到混合溶液；
S3、将S2中所得的混合溶液放入聚四氟乙烯反应釜进行溶剂热反应，得到反应物，其中，溶剂热反应的温度为80～190℃，溶剂热反应的时间为6～48h；
S4、将S3中得到的反应物冷却至室温后，采用离心法进行收集，并依次用 50ml的乙醇和50ml的去离子水交替洗涤4次，每次洗涤后均在4000r/min 的转速下离心15min，得到样品；
S5、将S4中得到的样品加入去离子水中，搅拌后静置12h；
S6、对S5中得到的样品进行收集，并在真空环境下进行干燥处理，即可制得MIL-53(Fe)复合材料。
进一步地，S2中的搅拌速度为600r/min，搅拌时间为10min。
进一步地，S3中的溶剂热反应的最佳温度为150℃，溶剂热反应的最佳时间为36h。
进一步地，S6中干燥的温度为60℃，干燥的时间为12h。
一种MIL-53(Fe)复合材料，由上述的制备方法制得。
如上所述制备方法制得的所述MIL-53(Fe)复合材料在降解四环素上的应用。
进一步地，主要包括以下过程：
D1、称取一定量的所述MIL-53(Fe)加入四环素溶液中，搅拌60min后，得到悬浮溶液，其中，所述MIL-53(Fe)的用量为2-80mg；
D2、利用可见光照射步骤S1中所得的悬浮溶液，并向所述悬浮溶液内加入过一硫酸盐，在反应的0min、15min、30min、60min、90min和120min时分别进行定量取样，并对每次取样样品的吸光度进行测定。
进一步地，D2中还包括以下步骤：
D21.在搅拌30min时和60min时分别进行定量取样，并对每次取样样品的吸光度进行测定。
进一步地，D2中所述MIL-53(Fe)的最佳用量为20mg。
进一步地，D2中所述悬浮溶液的pH值为3～11。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：(1)本发明提出了一种能高效催化降解四环素的MIL-53(Fe)复合材料的制备方法，且利用该方法制得的 MIL-53(Fe)复合材料在降解四环素的过程中安全无毒，属于环境友好型复合材料。
(2)本发明制得的本发明MIL-53(Fe)复合材料对四环素的去除在30min 内达到89.3％，120min内达到95.4％，其最佳投加量为0.2g/L，且溶液pH值在3～11的范围内，四环素的去除率在60min内达到了85.7％～92.3％，具有降解效果好的优点。
附图说明
图1是不同条件下合成的MIL-53(Fe)复合材料的XRD图谱；
图2是实施例1、2、3、4制得的MIL-53(Fe)复合材料在常温条件下，对四环素的光降解效果曲线比较图；
图3为不同用量的MIL-53(Fe)复合材料和悬浊溶液的不同pH值大小对降解四环素影响的曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
<实施例1>
一种MIL-53(Fe)复合材料的制备方法，主要包括以下步骤：
S1、分别称取0.01mol对苯二甲酸和0.01mol FeCl3·6H2O，备用；
S2、将S1中所得的对苯二甲酸和FeCl3·6H2O依次加入到56mL的N,N－二甲基甲酰胺溶液中，并在室温下以600r/min搅拌10min，直至对苯二甲酸和FeCl3·6H2O充分溶解，得到混合溶液；
S3、将S2中所得的混合溶液放入100ml聚四氟乙烯反应釜进行溶剂热反应，得到反应物，其中，溶剂热反应的温度为80℃，溶剂热反应的时间为6h；
S4、将S3中得到的反应物冷却至室温后，采用离心法进行收集，并依次用 50ml的乙醇和50ml的去离子水交替洗涤4次，每次洗涤后均在4000r/min 的转速下离心15min，得到样品；
S5、将S4中得到的样品加入去离子水中，搅拌后静置12h；
S6、对S5中得到的样品进行收集，并在真空环境下以60℃的温度进行干燥12h处理，即可制得MIL-53(Fe)，将得到的MIL-53(Fe)储存在10mL的离心管于室温下进行保存。
<实施例2>
一种MIL-53(Fe)复合材料的制备方法，主要包括以下步骤：
S1、分别称取0.01mol对苯二甲酸和0.01mol FeCl3·6H2O，备用；
S2、将S1中所得的对苯二甲酸和FeCl3·6H2O依次加入到56mL的N,N－二甲基甲酰胺溶液中，并在室温下以600r/min搅拌10min，直至对苯二甲酸和FeCl3·6H2O充分溶解，得到混合溶液；
S3、将S2中所得的混合溶液放入100ml聚四氟乙烯反应釜进行溶剂热反应，得到反应物，其中，溶剂热反应的温度为110℃，溶剂热反应的时间为24h；
S4、将S3中得到的反应物冷却至室温后，采用离心法进行收集，并依次用50ml的乙醇和50ml的去离子水交替洗涤4次，每次洗涤后均在4000r/min 的转速下离心15min，得到样品；
S5、将S4中得到的样品加入去离子水中，搅拌后静置12h；
S6、对S5中得到的样品进行收集，并在真空环境下以60℃的温度进行干燥12h处理，即可制得MIL-53(Fe)，将得到的MIL-53(Fe)储存在10mL的离心管于室温下进行保存。
<实施例3>
一种MIL-53(Fe)复合材料的制备方法，主要包括以下步骤：
S1、分别称取0.01mol对苯二甲酸和0.01mol FeCl3·6H2O，备用；
S2、将S1中所得的对苯二甲酸和FeCl3·6H2O依次加入到56mL的N,N－二甲基甲酰胺溶液中，并在室温下以600r/min搅拌10min，直至对苯二甲酸和FeCl3·6H2O充分溶解，得到混合溶液；
S3、将S2中所得的混合溶液放入100ml聚四氟乙烯反应釜进行溶剂热反应，得到反应物，其中，溶剂热反应的温度为150℃，溶剂热反应的时间为36h；
S4、将S3中得到的反应物冷却至室温后，采用离心法进行收集，并依次用 50ml的乙醇和50ml的去离子水交替洗涤4次，每次洗涤后均在4000r/min 的转速下离心15min，得到样品；
S5、将S4中得到的样品加入去离子水中，搅拌后静置12h；
S6、对S5中得到的样品进行收集，并在真空环境下以60℃的温度进行干燥12h处理，即可制得MIL-53(Fe)，将得到的MIL-53(Fe)储存在10mL的离心管于室温下进行保存。
<实施例4>
一种MIL-53(Fe)复合材料的制备方法，主要包括以下步骤：
S1、分别称取0.01mol对苯二甲酸和0.01mol FeCl3·6H2O，备用；
S2、将S1中所得的对苯二甲酸和FeCl3·6H2O依次加入到56mL的N,N－二甲基甲酰胺溶液中，并在室温下以600r/min搅拌10min，直至对苯二甲酸和FeCl3·6H2O充分溶解，得到混合溶液；
S3、将S2中所得的混合溶液放入100ml聚四氟乙烯反应釜进行溶剂热反应，得到反应物，其中，溶剂热反应的温度为190℃，溶剂热反应的时间为48h；
S4、将S3中得到的反应物冷却至室温后，采用离心法进行收集，并依次用 50ml的乙醇和50ml的去离子水交替洗涤4次，每次洗涤后均在4000r/min 的转速下离心15min，得到样品；
S5、将S4中得到的样品加入去离子水中，搅拌后静置12h；
S6、对S5中得到的样品进行收集，并在真空环境下以60℃的温度进行干燥12h处理，即可制得MIL-53(Fe)，将得到的MIL-53(Fe)储存在10mL的离心管于室温下进行保存。
图1为不同条件下合成的MIL-53(Fe)的XRD图谱，从图中可知，当合成温度控制在150℃时，随着时间的增加，MIL-53(Fe)的晶体峰强度逐渐增大，其中36h和48h的峰强度类似，说明合成时间超过36h后，MIL-53(Fe)的峰强变化不明显，表明在合成时间为36h时，MIL-53(Fe)的晶体峰强最大；当合成时间控制在36h时，随着合成温度的提高，MIL-53(Fe)的晶体峰强度逐渐增加，并且在合成温度为150℃时，MIL-53(Fe)的晶体峰强最大。因此，合成温度为150℃，合成时间为36h为制备MIL-53(Fe)复合材料最佳溶剂热条件。
将上述实施例1、2、3、4制得的所述MIL-53(Fe)复合材料分别应用于降解四环素，得到以下试验例：
<试验例1>
在100mL玻璃反应器上方1cm位置处悬挂一盏500W的卤钨灯，灯下放一张滤光片(400～800nm)，向反应器中加入100mL初始浓度为20ppm的四环素溶液和20mg的实施例1中所制得的所述MIL-53(Fe)复合材料，然后在室温下磁力搅拌60min，得到悬浮溶液，在搅拌30min时和60min时分别进行定量取样，并对每次取样样品的吸光度进行测定；开启卤钨灯，并向所述悬浮溶液内加入20mg过一硫酸钾，在反应的0min、15min、30min、60min、90min和120min 时分别进行定量取样，并对每次取样样品的吸光度进行测定。其中，每次取样时用一次性注射器抽取约6mL的溶液，通过0.22μm的一次性滤头过滤后，用紫外-可见分光光度计在四环素最大吸收波长(λ＝357nm)处测定吸光度。
<试验例2>
在100mL玻璃反应器上方1cm位置处悬挂一盏500W的卤钨灯，灯下放一张滤光片(400～800nm)，向反应器中加入100mL初始浓度为20ppm的四环素溶液和20mg的实施例2中所制得的所述MIL-53(Fe)复合材料，然后在室温下磁力搅拌60min，得到悬浮溶液，在搅拌30min时和60min时分别进行定量取样，并对每次取样样品的吸光度进行测定；开启卤钨灯，并向所述悬浮溶液内加入20mg过一硫酸钾，在反应的0min、15min、30min、60min、90min和120min 时分别进行定量取样，并对每次取样样品的吸光度进行测定。其中，每次取样时用一次性注射器抽取约6mL的溶液，通过0.22μm的一次性滤头过滤后，用紫外-可见分光光度计在四环素最大吸收波长(λ＝357nm)处测定吸光度。
<试验例3>
在100mL玻璃反应器上方1cm位置处悬挂一盏500W的卤钨灯，灯下放一张滤光片(400～800nm)，向反应器中加入100mL初始浓度为20ppm的四环素溶液和20mg的实施例3中所制得的所述MIL-53(Fe)复合材料，然后在室温下磁力搅拌60min，得到悬浮溶液，在搅拌30min时和60min时分别进行定量取样，并对每次取样样品的吸光度进行测定；开启卤钨灯，并向所述悬浮溶液内加入20mg过一硫酸钾，在反应的0min、15min、30min、60min、90min和120min 时分别进行定量取样，并对每次取样样品的吸光度进行测定。其中，每次取样时用一次性注射器抽取约6mL的溶液，通过0.22μm的一次性滤头过滤后，用紫外-可见分光光度计在四环素最大吸收波长(λ＝357nm)处测定吸光度。
<试验例4>
在100mL玻璃反应器上方1cm位置处悬挂一盏500W的卤钨灯，灯下放一张滤光片(400～800nm)，向反应器中加入100mL初始浓度为20ppm的四环素溶液和20mg的实施例4中所制得的所述MIL-53(Fe)复合材料，然后在室温下磁力搅拌60min，得到悬浮溶液，在搅拌30min时和60min时分别进行定量取样，并对每次取样样品的吸光度进行测定；开启卤钨灯，并向所述悬浮溶液内加入20mg过一硫酸钾，在反应的0min、15min、30min、60min、90min和120min 时分别进行定量取样，并对每次取样样品的吸光度进行测定。其中，每次取样时用一次性注射器抽取约6mL的溶液，通过0.22μm的一次性滤头过滤后，用紫外-可见分光光度计在四环素最大吸收波长(λ＝357nm)处测定吸光度。
图2为实施例1、2、3、4制得的MIL-53(Fe)复合材料在常温条件下，对四环素的光降解效果曲线比较图，其中，-60～0min表示无可见光(vis)和过一硫酸氢钾(PMS)加入的吸附时间，0～120min内为降解时间；从图中可看出， PMS和MIL-53(Fe)自身在可见光下对四环素降解的效率是很低的，而当MIL-53 (Fe)+PMS+vis共同作用时，四环素的降解效率在15min内便达到了70～80％，这说明MIL-53(Fe)在可见光下对PMS有着极强的活化作用，进而对四环素的降解效果也大幅度提高。且从图(a)可以观察到，当溶剂热时间在24h以下时，MIL-53(Fe)+PMS+vis对四环素的降解只能达到90％，且后续还会出现四环素的解吸作用，使得四环素浓度增大；而溶剂热时间大于24h的几组样品，对四环素能够持续的降解直至95％以上，且没有出现解吸作用。36h和48h条件下制备的MIL-53(Fe)对四环素的降解效果类似，所以选择36h作为固定时间，探究溶剂热温度对于MIL-53(Fe)对四环素降解的影响。由图(b)可知，随着溶剂热温度的提高，四环素的降解也随之提高，但是溶剂热温度为80℃、110℃、190℃三组温度下制备的MIL-53(Fe)对四环素的降解停留在80～90％之间，而在溶剂热温度为150℃条件下制备的MIL-53能够将四环素降解到95％以上。综上可知，在溶剂热温度为150℃，溶剂热时间为36h的工艺条件下制得的MIL-53(Fe)复合材料能够做到最大化的降解四环素，降解率达到95％以上，因此实施例3制得的MIL-53(Fe)复合材料为降解四环素的最佳实施例。
<试验例5>
试验例5用于探究所述MIL-53(Fe)复合材料的不同用量对降解四环素的影响。
在100mL玻璃反应器上方1cm位置处悬挂一盏500W的卤钨灯，灯下放一张滤光片(400～800nm)，向反应器中加入100mL初始浓度为20ppm的四环素溶液和一定量的实施例3中所制得的所述MIL-53(Fe)复合材料，然后在室温下磁力搅拌60min，得到悬浮溶液，在搅拌30min时和60min时分别进行定量取样，并对每次取样样品的吸光度进行测定；开启卤钨灯，并向所述悬浮溶液内加入20mg过一硫酸钾，在反应的0min、15min、30min、60min、90min和120min 时分别进行定量取样，并对每次取样样品的吸光度进行测定。其中，每次取样时用一次性注射器抽取约6mL的溶液，通过0.22μm的一次性滤头过滤后，用紫外-可见分光光度计在四环素最大吸收波长(λ＝357nm)处测定吸光度。
图3中的(3a)为不同用量的MIL-53(Fe)复合材料对降解四环素影响的曲线图。从图中可知，MIL-53(Fe)的投加量从2mg增加至80mg的过程中，在2～ 20mg的范围内，四环素的降解效果随着MIL-53(Fe)的用量增加而提高，但是当 MIL-53(Fe)的用量超过40mg时，在60min后出现了四环素降解效果停滞甚至是上涨的趋势，这可能是由于MIL-53(Fe)投加过多阻碍了光路传播，并且四环素的解吸效果也造成了一定的影响。因此，当MIL-53(Fe)复合材料的用量为20mg时，MIL-53(Fe)复合材料对四环素的降解效果最好。
<试验例6>
试验例6用于探究pH环境对降解四环素的影响。
在100mL玻璃反应器上方1cm位置处悬挂一盏500W的卤钨灯，灯下放一张滤光片(400～800nm)，向反应器中加入100mL初始浓度为20ppm的四环素溶液和20mg实施例3中所制得的所述MIL-53(Fe)复合材料，得到混合溶液,并用 NaOH溶液和HNO3溶液调节混合溶液的Ph值,然后在室温下磁力搅拌60min，得到悬浮溶液，在搅拌30min时和60min时分别进行定量取样，并对每次取样样品的吸光度进行测定；开启卤钨灯，并向所述悬浮溶液内加入20mg过一硫酸钾，在反应的0min、15min、30min、60min、90min和120min时分别进行定量取样，并对每次取样样品的吸光度进行测定。其中，每次取样时用一次性注射器抽取约6mL的溶液，通过0.22μm的一次性滤头过滤后，用紫外-可见分光光度计在四环素最大吸收波长(λ＝357nm)处测定吸光度。
图3中的(3b)为悬浊溶液不同pH值大小对降解四环素影响的曲线图。从图中可以看出，MIL-53(Fe)+PMS+vis能够在3～11的宽广pH范围内对四环素进行高效降解，在60min内能够达到85.7～92.3％的降解效果。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种MIL-53(Fe)复合材料的制备方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
S1、分别称取对苯二甲酸和FeCl3·6H2O，备用；
S2、将对苯二甲酸和FeCl3·6H2O依次加入到溶液中搅拌溶解，得到混合溶液；
S3、将S2中所得的混合溶液放入反应釜进行溶剂热反应，得到反应物，其中，溶剂热反应的温度为80～190℃，溶剂热反应的时间为6～48h；
S4、将S3中得到的反应物冷却至室温后，采用离心法进行收集，并依次用乙醇和去离子水交替洗涤多次，每次洗涤后均在4000r/min的转速下离心15min，得到样品；
S5、将S4中得到的样品加入去离子水中，搅拌后静置12h；
S6、对S5中得到的样品进行收集，并在真空环境下进行干燥处理，即可制得MIL-53(Fe)复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种MIL-53(Fe)复合材料的制备方法，其特征在于，S2中的搅拌速度为600r/min，搅拌时间为10min。
3.根据权利要求1所述的一种MIL-53(Fe)复合材料的制备方法，其特征在于，S3中的溶剂热反应的最佳温度为150℃，溶剂热反应的最佳时间为36h。
4.根据权利要求1所述的一种MIL-53(Fe)复合材料的制备方法，其特征在于，S6中干燥的温度为60℃，干燥的时间为12h。
5.一种MIL-53(Fe)复合材料，其特征在于，由权利要求1-4任一项所述的制备方法制得。
6.权利要求5所述的MIL-53(Fe)复合材料在降解四环素上的应用。
7.根据权利要求6所述的MIL-53(Fe)复合材料在降解四环素上的应用，其特征在于，主要包括以下过程：
D1、称取一定量的所述MIL-53(Fe)复合材料加入四环素溶液中，搅拌得到悬浮溶液，其中，所述MIL-53(Fe)复合材料的用量为2-80mg；
D2、利用可见光照射步骤S1中所得的悬浮溶液，并向所述悬浮溶液内加入过一硫酸盐，反应，并对反应后的溶液进行测定。
8.根据权利要求7所述的MIL-53(Fe)复合材料在降解四环素上的应用，其特征在于，D2中所述MIL-53(Fe)复合材料的最佳用量为20mg。
9.根据权利要求7所述的MIL-53(Fe)复合材料在降解四环素上的应用，其特征在于，D2中所述悬浮溶液的pH值为3～11。
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