CN113546606A - 一种木质素掺杂金属有机骨架衍生的碳铁复合材料的制备及其应用 - Google Patents

一种木质素掺杂金属有机骨架衍生的碳铁复合材料的制备及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种木质素掺杂金属有机骨架（MOF）衍生的碳铁复合材料的制备方法及其应用，该材料在广泛的pH条件下可以作为多种抗生素和重金属六价铬离子的吸附剂。该材料通过将MOF与木质素的混合物作为前体，采用一步热解法进行合成，得到的材料中铁纳米颗粒均匀负载在具有多孔结构的超薄碳纳米片表面。其中，木质素的掺杂提高了碳材料的比表面积和石墨化程度，能够有效增强物质的传输和捕获能力，同时有利于铁纳米颗粒的分散，使颗粒聚集最小化，为铁纳米颗粒提供额外的稳定性，并用作抗生素和重金属六价铬离子的次级吸附位点。同时材料具有磁性，可以快速方便地从水相中进行回收。通过将其应用于吸附抗生素和重金属六价铬离子，发现其表现出优异的吸附性能。

Description

一种木质素掺杂金属有机骨架衍生的碳铁复合材料的制备及 其应用
技术领域
本发明涉及一种可用于广泛的pH条件下的抗生素和六价铬离子废水的非均相吸附剂，属于吸附技术领域。
背景技术
抗生素因为其杀菌抑菌的作用广泛应用于医学、农业、畜牧业以及养殖业，但由于人们对其盲目滥用，导致抗生素在动物体内累积，最终排放进环境中。同样，因为广泛用于各个工业领域，痕量的六价铬能够在人类和动物中引起致癌和突变，对环境和人类健康造成威胁。
迄今为止，有效去除抗生素和六价铬的方法主要包括吸附、光催化、类芬顿、膜法过滤、生物降解和电化学降解等。在这些方法中，吸附由于其成本低、去除效果较好、环境友好和操作简单等优点，已被认为是从水中去除抗生素和六价铬的最实用技术之一。但是由于吸附速率、容量和再循环性不足，现有的吸附剂还存在缺陷，因此迫切需要更合适的吸附剂。
在热解条件下制备的MOF衍生的碳铁复合材料具有一些特殊的性质，例如磁性，大的比表面积和孔体积，在水相吸附领域具有显著的优势。同样，木质素作为自然界中广泛存在的生物炭，因为自身表面的多种活性基团，也有作为吸附剂去除污染物的研究。将木质素掺杂进MOF中，可以显著提高MOF衍生的碳铁复合材料的吸附性能，对四环素类抗生素和六价铬具有极大的吸附容量。此外，可以通过磁分离回收吸附剂，再通过添加乙醇使吸附剂方便地得到再生。这种材料具有方便、高效，无二次污染的特点，属于绿色环保吸附剂，有望成为去除抗生素和六价铬的理想材料。
发明内容
本发明提供了一种木质素掺杂金属有机骨架衍生的碳铁复合材料的制备方法及其应用，该材料在广泛的pH条件下可以作为多种抗生素和重金属六价铬离子的吸附剂。该材料通过将MOF与木质素机械混合作为前体，采用一步热解法进行合成，得到的材料中铁纳米颗粒均匀负载在具有多孔结构的超薄碳纳米片表面。其中，木质素的掺杂提高了碳材料的比表面积和石墨化程度，能够有效增强物质的传输和捕获能力，同时有利于铁纳米颗粒的分散，使颗粒聚集最小化，为铁纳米颗粒提供额外的稳定性，并用作抗生素和重金属六价铬离子的次级吸附位点。同时材料具有磁性，可以快速方便地从水相中进行回收。通过将其应用于吸附抗生素和重金属六价铬离子，发现其表现出优异的吸附性能。
具体的，本发明提供一种木质素掺杂MOF衍生的碳铁复合材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤如下：
1)将一定量的FeCl3溶解在N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethyl formamide，DMF)中得到溶液A；再将2-氨基对苯二甲酸溶解在N,N-二甲基甲酰胺中得到溶液B；将溶液A倒入溶液B中；两者均匀混合后倒入水热釜中水热反应，将反应液离心，将得到的沉淀依次用N,N-二甲基甲酰胺、水、乙醇各洗涤若干次，干燥，得到棕色粉末；
2)将一定量的所述棕色粉末置于研钵中，加入一定量的木质素粉末与其混合，并研磨均匀。
3)将所述混合粉末在惰性气氛下管式炉中煅烧，惰性气氛下冷却至室温，用水清洗，然后磁分离，干燥，得到所述木质素掺杂MOF衍生的碳铁复合材料。
进一步的，所述FeCl3选自FeCl3·6H2O，将1.35 g FeCl3·6H2O溶解在15 mL DMF中得到溶液A；再将0.45 g 2-氨基对苯二甲酸溶解在15 mL DMF中得到溶液B；将溶液A倒入溶液B中；两者均匀混合后倒入50 ml水热釜中，在110 ℃水热反应24 h；将反应液离心，将得到的沉淀依次用DMF、水、乙醇各洗涤2次，在70 ℃烘箱中干燥，得到棕色粉末；
进一步的，棕色粉末的质量为300-500 mg，加入的木质素与棕色粉末的质量比为1:2，研磨时间为10 min。
进一步的，惰性气氛为氮气。
进一步的，升温速率为3 ℃/min，煅烧温度为700 ℃，保温时间为1 h。
一种木质素掺杂MOF衍生的碳铁复合材料，所述材料为具有多孔结构的碳纳米片，铁以碳化铁的形式均匀分散在碳纳米片上，所述材料根据所述的制备方法制备得到。
进一步的，所述的木质素掺杂MOF衍生的碳铁复合材料对四环素等抗生素和六价铬离子的吸附性能显著优于不掺杂木质素的MOF衍生的碳铁复合材料。
本发明具有如下有益效果：
1)相对于MOF衍生的碳铁复合材料，掺杂木质素提高了碳材料的比表面积和石墨化程度，能够有效增强物质的传输和捕获能力。
2)木质素掺杂后，有利于MOF的分散，使铁纳米颗粒聚集最小化，并为MOF框架提供额] 外的稳定性。
3)木质素本身具有大量的活性基团，可以作为抗生素和六价铬的次级吸附位点。
4)由Fe基MOF(MIL-101-NH2 Fe)衍生的多孔结构的碳铁复合材料能通过过渡金属表面的位点与抗生素分子络合，进一步提升吸附效率。
5)负载磁性金属纳米粒子的碳材料由于其磁性而具有巨大的潜力，这有助于材料和液体的快速分离；
6)此发明中所涉及到的原料经济易得，所进行的实验步骤简单方便。
附图说明
图1为实施例1，实施例2，实施例3所制备样品的XRD图谱。
图2为实施例1，实施例2，实施例3所制备样品以及吸附TC后的实施例3的FT-TR图谱。
图3为实施例1，实施例2，实施例3的SEM、TEM图和实施例3的EDS映射图。
图4为实施例1，实施例2，实施例3的氮气吸附和脱附等温线。
图5为实施例2，实施例3对四环素的吸附动力学图。
图6为实施例3在不同pH条件下对四环素的吸附效果图(吸附剂剂量＝0.05 g/L；初始四环素浓度＝40 mg/L；初始四环素的pH不同)。
图7为实施例3对不同的抗生素(四环素、土霉素、盐酸金霉素、盐酸四环素、诺氟沙星、左氧氟沙星、培氟沙星、磺胺嘧啶)的吸附效果图。
图8为实施例2和实施例3在不同pH条件下对六价铬离子的吸附效果图。
具体实施方式
本发明下面将通过具体的实施例进行更详细的描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。
实施例1
制备MIL-101-NH2 (Fe)：
将1.35 g FeCl3·6H2O溶解在15 mL DMF中得到溶液A；再将0.45 g 2-氨基对苯二甲酸溶解在15 mL DMF中得到溶液B；将溶液A倒入溶液B中；两者均匀混合后倒入50 ml水热釜中，在110 ℃水热反应24 h；将反应液离心，将得到的沉淀依次用DMF、水、乙醇各洗涤2次，在70 ℃烘箱中干燥，得到棕色粉末，即MIL-101-NH2 (Fe)。
实施例2
制备Carbon-MIL-101-NH2：
将600 mg的MIL-101-NH2 (Fe)棕色粉末放入瓷舟中，在氮气气氛下管式炉中煅烧，3 ℃每分钟加热至700 ℃，然后保温1 h，在N2气氛下冷却至室温。黑色粉末用水清洗，然后磁分离，在70 ℃干燥，即Carbon-MIL-101-NH2。
实施例3
制备Carbon-Fe3C/lignin：
将400 mg的MIL-101-NH2 (Fe)棕色粉末置于研钵中，加入200 mg的木质素粉末与其混合，并研磨10 min直到完全混合均匀。将600 mg完全混合的粉末放入瓷舟中，在氮气气氛下管式炉中煅烧，3 ℃每分钟加热至700 ℃，然后保温1 h，在N2气氛下冷却至室温。黑色粉末用水清洗，然后磁分离，在70 ℃干燥，即Carbon-Fe3C/lignin。
实验及数据
本发明提供的模拟污染物的吸附性能考察方法如下：
(1)吸附等温线实验
使用水浴恒温磁力搅拌器分批吸附收集四环素(tetracycline，TC)吸附等温线。称量6个磁性样品(10 mg)并置于单独的250 ml烧杯中。然后将200 mL具有不同浓度(30，35，40，45，50，60 mg/L)的四环素溶液加入到烧杯中，然后将其置于水浴恒温磁力搅拌器中并以200 rpm的转速在常温下搅拌24小时。吸附后，用磁铁将碳铁复合材料与溶液分离，用HPLC高效液相色谱测定溶液中的TC浓度。基于重复实验，实验误差小于3.0％，置信水平为95％。
(2)动力学实验和循环再生实验
在典型的实验中，在烧杯中混合10 mg催化剂和200 mL TC溶液，并在20 ℃下搅拌所得悬浮液。为了获得吸附动力学数据，在不同时间取出2 mL溶液，并用高效液相色谱HPLC测定其TC浓度。搅拌24小时后，用磁铁分离悬浮液。从烧杯中倾析出上部溶液层，留下饱和的样品。然后向烧杯中加入100 mL乙醇。并且新的悬浮液在常温下搅拌4小时。然后将悬浮液磁分离，倾析出上层。剩余的固体是再生的磁性样品。第二个循环包括返回第一步但使用再生样品而不是新鲜样品。
图1为实施例1，实施例2，实施例3所制备的样品的XRD图谱，由图中可以清晰的看到，Carbon-MIL-101-NH2出现了两个零价Fe的特征峰，说明在氮气还原气氛下Fe被还原为了零价Fe。掺杂木质素后，材料出现了Fe3C和石墨碳的特征峰，表明在碳掺杂后形成了碳化铁（Fe3C）的结构。
图2为实施例1，实施例2，实施例3所制备样品以及吸附TC后的实施例3的FT-TR图谱。596 cm-1处的峰可以分配给Fe纳米颗粒，TC吸附后，在474 cm-1处形成了Fe-O的新峰，证明了TC分子是通过与Carbon-Fe3C/lignin表面的Fe络合形成Fe-O键而吸附到催化剂表面；3400 cm-1左右的宽带归因于-OH拉伸振动，并在吸附后增强，表明了催化剂表面的含氧基团被TC上的-OH所取代；1578 cm-1处的宽带显示材料存在芳族碳C=C的特征峰，并且该峰在吸附后增强，证实了TC与碳纳米片的π-π相互作用也在TC的吸附中起了重要作用。
图3为实施例1，实施例2，实施例3的SEM和TEM图以及实施例3的EDS映射图谱。SEM图和TEM图显示了合成的MIL-101-NH2 (Fe)的八面体晶体结构。将其直接碳化的Carbon-MIL-101-NH2基本保留了八面体结构，上面负载了Fe纳米颗粒。经过木质素掺杂煅烧后，Carbon-Fe3C/lignin没有维持原本的形貌，而是形成了均匀负载有Fe纳米颗粒的纳米片结构。通过材料的EDS图谱分析，显示了碳元素在纳米片上的均匀分布以及铁和氧元素在纳米颗粒上的分布。可以看出Fe纳米颗粒在纳米片上分布较均匀，O元素和Fe元素的分布部分重合，可以推断部分Fe纳米颗粒被氧化，但在Fe元素分布最明显的区域只有C元素而未发现O元素，这也证实了Fe3C结构的形成。
图4为实施例1，实施例2，实施例3的氮气吸附和脱附等温线。BET测试表明三种材料的BET表面积分别为43.43，93.64和160.9 m2/g。Carbon-Fe3C/lignin显示出IV型等温线，表明存在大量中孔。在掺杂木质素后材料的BET表面积大大增加，提供了更大的吸附面积和更多的吸附位点。
图5为实施例2，实施例3对四环素的吸附动力学图。在动力学实验中，24 h后Carbon-Fe3C/lignin的吸附容量达到了670.37 mg/g，接近未掺杂材料的2倍。经过伪一阶和伪二阶动力学方程的拟合，二阶方程的R2为0.997，qmax为683.98 mg/g更好的拟合了动力学数据，表明吸附过程中的限速步骤是化学作用。同时拟一阶方程和拟二阶方程均很好地拟合，表明在固体表面存在单层和多层吸附。
图6为实施例3在不同pH条件下对四环素的吸附效果图(吸附剂剂量＝0.05 g/L；初始四环素浓度＝40 mg/L；初始四环素的pH不同)，从图可以看出在较宽的pH范围内，材料对TC均有较高的吸附容量。随着溶液pH从2.07增大到4.19，吸附容量逐渐增大到最高，之后随着pH的增加逐渐减小，这与TC的形态和材料的表面电荷有关。当pH低于3时，TC是带正电的分子。在pH 3.3-7.7时，TC是两性离子，几乎是中性的。当pH值高于7.7时，TC表面电荷变为负值。材料在pH<4时带正电荷，pH>4时带负电，pH=4左右时为0电位点，此时与TC分子的静电排斥最小，因而达到了最大的吸附容量。
图7为实施例3对不同的抗生素(四环素、土霉素、盐酸金霉素、盐酸四环素、诺氟沙星、左氧氟沙星、培氟沙星、磺胺嘧啶)的吸附效果图。发现材料对四环素类抗生素的吸附效果最好，对其他类抗生素也有一定的吸附效果。
图8为实施例2和实施例3在不同pH条件下对六价铬离子的吸附效果图。可以看出，掺杂木质素后材料在广泛的pH范围内对Cr6+的吸附性能都有明显的提升，吸附容量随着pH的降低不断增大，在pH为1时可达164 mg/g。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但是应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种木质素掺杂MOF衍生的碳铁复合材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤如下：
(1)将一定量的FeCl3溶解在N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethyl formamide，DMF)中得到溶液A；再将2-氨基对苯二甲酸溶解在N,N-二甲基甲酰胺中得到溶液B；将溶液A倒入溶液B中；两者均匀混合后倒入水热釜中水热反应，将反应液离心，将得到的沉淀依次用N,N-二甲基甲酰胺、水、乙醇各洗涤若干次，干燥，得到棕色粉末；
(2)将一定量的所述棕色粉末置于研钵中，加入一定量的木质素粉末与其混合，并研磨均匀。
2.(3)将所述混合粉末在惰性气氛下管式炉中煅烧，惰性气氛下冷却至室温，用水清洗，然后磁分离，干燥，得到所述木质素掺杂MOF衍生的碳铁复合材料。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述FeCl3选自FeCl3·6H2O，将1.35 gFeCl3·6H2O溶解在15 mL DMF中得到溶液A；再将0.45 g 2-氨基对苯二甲酸溶解在15 mLDMF中得到溶液B；将溶液A倒入溶液B中；两者均匀混合后倒入50 ml水热釜中，在110 ℃水热反应24 h；将反应液离心，将得到的沉淀依次用DMF、水、乙醇各洗涤2次，在70 ℃烘箱中干燥，得到棕色粉末；
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：棕色粉末的质量为300-500 mg，加入的木质素与棕色粉末的质量比为1:2，研磨时间为10 min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：惰性气氛为氮气。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：升温速率为3 ℃/min，煅烧温度为700℃，保温时间为1 h。
6.一种木质素掺杂MOF衍生的碳铁复合材料，其特征在于：所述材料为具有多孔结构的碳纳米片，铁以碳化铁的形式均匀分散在碳纳米片上，所述材料根据权利要求1-5任一项所述的制备方法制备得到。
7.根据权利要求6所述的木质素掺杂MOF衍生的碳铁复合材料，其特征在于：木质素掺杂MOF衍生的碳铁复合材料对四环素等抗生素和六价铬离子的吸附性能显著优于不掺杂木质素的MOF衍生的碳铁复合材料。
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