CN115582100A - 一种三维双金属MOFs宏观微珠材料的制备方法及应用 - Google Patents

一种三维双金属MOFs宏观微珠材料的制备方法及应用 Download PDF

Info

Publication number
CN115582100A
CN115582100A CN202211385762.9A CN202211385762A CN115582100A CN 115582100 A CN115582100 A CN 115582100A CN 202211385762 A CN202211385762 A CN 202211385762A CN 115582100 A CN115582100 A CN 115582100A
Authority
CN
China
Prior art keywords
chitosan
solution
zif
macroscopic
dimensional
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211385762.9A
Other languages
English (en)
Inventor
李洁
方飞
吕全坤
毕露露
杨乐
刘佩佩
李学德
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anhui Agricultural University AHAU
Original Assignee
Anhui Agricultural University AHAU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anhui Agricultural University AHAU filed Critical Anhui Agricultural University AHAU
Priority to CN202211385762.9A priority Critical patent/CN115582100A/zh
Publication of CN115582100A publication Critical patent/CN115582100A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/22Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material
    • B01J20/24Naturally occurring macromolecular compounds, e.g. humic acids or their derivatives
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/22Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material
    • B01J20/223Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material containing metals, e.g. organo-metallic compounds, coordination complexes
    • B01J20/226Coordination polymers, e.g. metal-organic frameworks [MOF], zeolitic imidazolate frameworks [ZIF]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28014Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their form
    • B01J20/28016Particle form
    • B01J20/28021Hollow particles, e.g. hollow spheres, microspheres or cenospheres
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/28Treatment of water, waste water, or sewage by sorption
    • C02F1/285Treatment of water, waste water, or sewage by sorption using synthetic organic sorbents
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/28Treatment of water, waste water, or sewage by sorption
    • C02F1/286Treatment of water, waste water, or sewage by sorption using natural organic sorbents or derivatives thereof
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2220/00Aspects relating to sorbent materials
    • B01J2220/40Aspects relating to the composition of sorbent or filter aid materials
    • B01J2220/48Sorbents characterised by the starting material used for their preparation
    • B01J2220/4806Sorbents characterised by the starting material used for their preparation the starting material being of inorganic character
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2220/00Aspects relating to sorbent materials
    • B01J2220/40Aspects relating to the composition of sorbent or filter aid materials
    • B01J2220/48Sorbents characterised by the starting material used for their preparation
    • B01J2220/4812Sorbents characterised by the starting material used for their preparation the starting material being of organic character
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2220/00Aspects relating to sorbent materials
    • B01J2220/40Aspects relating to the composition of sorbent or filter aid materials
    • B01J2220/48Sorbents characterised by the starting material used for their preparation
    • B01J2220/4812Sorbents characterised by the starting material used for their preparation the starting material being of organic character
    • B01J2220/4825Polysaccharides or cellulose materials, e.g. starch, chitin, sawdust, wood, straw, cotton
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00Nature of the contaminant
    • C02F2101/30Organic compounds
    • C02F2101/34Organic compounds containing oxygen
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00Nature of the contaminant
    • C02F2101/30Organic compounds
    • C02F2101/36Organic compounds containing halogen
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00Nature of the contaminant
    • C02F2101/30Organic compounds
    • C02F2101/38Organic compounds containing nitrogen

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)

Abstract

本发明公开了一种三维双金属MOFs宏观微珠材料的制备方法及应用,制备包括以下步骤:步骤S1、制备壳聚糖双金属盐复合微珠;步骤S2、将壳聚糖双金属盐复合微珠浸入至2‑甲基咪唑溶液中于原位生长得到ZIF/CS微珠。本发明制备得到的ZIF/CS微珠可用于去除水中的氟喹诺酮类抗生素药物。本发明方法操作简便、原料易得、条件可控,制备的产品具有较高的比表面积、孔径可调、形状可控的功能特性,并且产品可回收性强、二次污染小。

Description

一种三维双金属MOFs宏观微珠材料的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及金属有机框架材料领域,具体是一种三维双金属MOFs宏观微珠材料的制备方法及应用。
背景技术
氟喹诺酮类药物(FQs)是一类人畜通用的抗生素,因其抗菌谱广、杀菌力强、与其他抗菌药物不易出现交叉耐药性、价格低廉等特点,被广泛用于人类和畜牧、水产等养殖业领域中。然而FQs的大量使用,也引发了许多问题。现如今,FQs主要通过制药企业废水、医疗行业废弃物、畜牧业粪便及水产养殖用水等排放入自然环境,且由于FQs的化学性质稳定,在水中较难降解,故其在环境中保留持久,并不断积累,这使得其在环境中的残留量不断增加。水体环境中富集的FQs可进入水生动物体内,进而引入食物链,对水生生态系统和人类健康产生严重的负面影响。
因此,开发一种快速、高效的FQs去除技术具有重要意义。常规的处理技术包括高级氧化工艺,光催化,氧还原电催化,生物降解,膜分离和吸附。在所有方法中,吸附法操作简单、可行性强、成本-效益高,污染物去除效率超过95%,被认为是最有利的FQs去除工具。吸附剂是决定吸附性能的重要成分。故有必要开发用于从畜禽养殖废水中去除FQs的快速高效吸附剂。
金属有机框架材料(MOFs)是由金属节点和有机配体组成的晶体配位聚合物,是21世纪研究最广泛的材料之一。与其他纳米材料相比,MOFs具有合成简单、比表面积较高、孔径可调、可改性等优点,这使得MOFs成为环境修复中有吸引力的材料之一,因此具备用于吸收水中FQs的可能。
然而,大多数MOFs材料对水敏感,金属与氧的配位键相对较弱,容易被水解,导致框架结构被破坏,其高比表面积和有效孔隙结构丧失。此外,虽然几种MOFs具有令人满意的吸附性能,但一旦分散在水中,很难从其悬浮液中重新收集。这些弊端都严重限制了MOFs在液体中吸收水中FQs的实际应用。因此,如何更高效、更安全地利用MOFs材料去除环境中的污染物,而不进一步污染环境是值得考虑的问题。
发明内容
本发明提供了一种三维双金属MOFs宏观微珠的制备方法及应用,以解决现有技术MOFs难以用于吸收水中FQs的问题。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案为:
一种三维双金属MOFs宏观微珠材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤S1、制备壳聚糖双金属盐复合微珠;
步骤S2、将步骤S1得到的壳聚糖双金属盐复合微珠浸入至2-甲基咪唑溶液中于室温下原位生长23~25h,得到ZIF/CS微珠,所述ZIF/CS微珠即为三维双金属MOFs宏观微珠材料。
进一步的,步骤S1中采用壳聚糖和两种金属盐制备壳聚糖双金属盐复合微珠,过程如下:
步骤S1.1、将壳聚糖粉末完全溶解于质量分数为2%~5%(v/v)的乙酸水溶液中,得到浓度为0.15g/L的壳聚糖溶液;
步骤S1.2、将两种金属盐完全溶解于步骤S1.1得到的壳聚糖溶液中得到壳聚糖双金属盐溶液,然后将所述壳聚糖双金属盐溶液滴加至氢氧化钠溶液中静置4.5~5.2h,得到壳聚糖双金属盐复合微珠。
进一步的,步骤S1.2中,两种金属盐分别为硝酸锌、硝酸钴,硝酸锌、硝酸钴按质量比为3:1混合后溶解于壳聚糖溶液中,其中硝酸锌、硝酸钴的总重量与壳聚糖粉末重量的比例关系为2:1。
进一步的,步骤S1.2中,壳聚糖双金属盐溶液与氢氧化钠溶液的用量体积比为1:3。
进一步的,步骤S2过程如下:
步骤S2.1、将所述步骤S1得到的壳聚糖双金属盐复合微珠洗涤至洗涤液呈中性;
步骤S2.2、将步骤S2.1洗涤后的壳聚糖双金属盐复合微珠浸入至2-甲基咪唑-甲醇溶液中于室温下原位生长23~25h,其中2-甲基咪唑-甲醇溶液与壳聚糖溶液的体积比为1.5:1;
步骤S2.3、将步骤S2.2原位生长结束后的微珠与溶液分离,用去离子水洗涤微珠至洗涤液呈中性,然后于-52~-55 ℃温度下冷冻干燥46~49h,得到ZIF/CS微珠。
进一步的,步骤S2.2中,所述2-甲基咪唑-甲醇溶液为2-甲基咪唑溶液溶于甲醇中形成的浓度为20g/L的溶液。
一种上述制备方法制得的三维双金属MOFs宏观微珠材料在去除水中氟喹诺酮类抗生素药物的应用。
进一步的,所述氟喹诺酮类抗生素药物包括环丙沙星。
进一步的,所述氟喹诺酮类抗生素药物包括诺氟沙星。
进一步的,所述氟喹诺酮类抗生素药物包括氧氟沙星。
本发明是一种三维双金属MOFs宏观微珠材料的制备方法及其应用,制备的ZIF/CS微珠在水环境中用于去除FQs。本发明通过双金属掺杂改善ZIF孔径大小和比表面积,以提高对FQs的吸附效果。同时采用壳聚糖作为基底,使得MOFs在其上均匀、稳定地生长,所获得微珠材料不仅对FQs具有高效的吸附效果,同时也便于回收利用,降低了金属离子渗出浓度。本发明的特点在于环境友好便于回收的宏观MOFs材料的制备,及其对FQs的去除。
本发明的有益效果在于:
(1)本发明采用了双金属掺杂合成MOFs,操作简便、原料易得、条件可控,不仅具有较高的比表面积、孔径可调、形状可控的功能特性,还拥有成本低廉、选择性好等优点。
(2)本发明以壳聚糖/双金属盐溶液为前驱体,可以制备出壳聚糖/双金属氧化物复合材料,使MOFs在壳聚糖基体上均匀、稳定地生长。具有可回收性强、操作工艺简单、二次污染小等优点。
附图说明
图1为实施例二~实施例四中制备的ZIF/CS微珠、纯壳聚糖珠和Zn/Co/ZIF粉末的SEM图,其中(A)为Zn/Co/ZIF,(B)为纯壳聚糖珠;(C)为ZIF/CS微珠。
图2为实施例二~实施例四中制备的ZIF/CS微珠、纯壳聚糖珠和Zn/Co/ZIF粉末的XRD谱图。
图3为本发明实施例二获得的ZIF/CS微珠吸附前后的FT-IR谱图。
图4中(A)为实施例二获得的ZIF/CS微珠在不同初始pH下的Zeta电位对环丙沙星的吸附性能图;(B)为不同pH下环丙沙星离子分布图。
图5中(A)为本发明实施例二~实施例四材料对环丙沙星的吸附性能图,(B)为实施例2与不同商业材料对环丙沙星的吸附性能对比图。
图6中(A)为不同阴离子存在条件下ZIF/CS微珠对环丙沙星的吸附效果影响对比图;(B)为不同浓度腐殖酸存在条件下ZIF/CS微珠对环丙沙星的吸附效果图。
图7中(A)为不同洗脱剂洗脱后ZIF/CS微珠对环丙沙星的吸附效果,(B)为ZIF/CS微珠经9次再生循环利用后对环丙沙星的去除性能图。
图8为本发明实施例二和实施例四在不同pH条件下锌离子和钴离子的渗出量对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例一
本实施例公开了一种三维双金属MOFs宏观微珠材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤S1、制备壳聚糖双金属盐复合微珠,过程如下:
步骤S1.1、将壳聚糖粉末完全溶解于质量分数为2%~5%(v/v)的乙酸水溶液中,得到浓度为0.15g/L的壳聚糖溶液;
步骤S1.2、采用两种金属盐:硝酸锌、硝酸钴,将硝酸锌、硝酸钴按重量比例3:1混合后溶解于步骤S1.1得到的壳聚糖溶液中并连续机械搅拌均匀,使硝酸锌、硝酸钴完全溶解,得到壳聚糖双金属盐溶液。其中硝酸锌、硝酸钴的总重量与壳聚糖粉末重量的比例关系为2:1。
然后将壳聚糖双金属盐溶液滴加至氢氧化钠溶液中静置4.5~5.2h,得到壳聚糖双金属盐复合微珠。壳聚糖双金属盐溶液与氢氧化钠溶液的用量体积比为1:3。
无需冷冻干燥,静置后将固体物与溶液分离,此固体物为壳聚糖双金属盐复合微珠。
步骤S2、将步骤S1得到的壳聚糖双金属盐复合微珠洗涤后浸入至2-甲基咪唑-甲醇溶液中于室温下原位生长得到ZIF/CS微珠,所述ZIF/CS微珠即为三维双金属MOFs宏观微珠材料。过程如下:
步骤S2.1、采用去离子水将所述步骤S1得到的壳聚糖双金属盐复合微珠的洗涤液洗涤至中性;
步骤S2.2、将2-甲基咪唑溶液溶于甲醇中形成的浓度为20g/L的溶液。
将步骤S2.1洗涤后的壳聚糖双金属盐复合微珠浸入至2-甲基咪唑-甲醇溶液中于室温下原位生长23~25h,其中2-甲基咪唑-甲醇溶液与壳聚糖溶液的体积比为1.5:1。
步骤S2.3、将步骤S2.2原位生长结束后的微珠与溶液分离,用去离子水洗涤微珠至洗涤液呈中性,然后于-52~-55 ℃温度下冷冻干燥46~49h,得到ZIF/CS微珠。
实施例二
本实施例为实施例一公开了的三维双金属MOFs宏观微珠材料制备方法的最优实施例,包括以下步骤:
步骤S1、制备壳聚糖双金属盐复合微珠,过程如下:
步骤S1.1、将壳聚糖粉末完全溶解于质量分数为2%(v/v)的乙酸水溶液中,得到浓度为0.15g/L的壳聚糖溶液。
步骤S1.2、采用两种金属盐:硝酸锌、硝酸钴,将硝酸锌、硝酸钴按重量比例3:1混合后溶解于步骤S1.1得到的壳聚糖溶液中并连续机械搅拌均匀,使硝酸锌、硝酸钴完全溶解,得到壳聚糖双金属盐溶液。其中硝酸锌、硝酸钴的总重量与壳聚糖粉末重量的比例关系为2:1。
然后将壳聚糖双金属盐溶液滴加至氢氧化钠溶液中静置5h,得到壳聚糖双金属盐复合微珠。其中,壳聚糖双金属盐溶液与氢氧化钠溶液的用量体积比为1:3。静置后,无需冷冻干燥,分离固体物,此时的固体物为壳聚糖双金属盐复合微珠。
步骤S2、将步骤S1得到的壳聚糖双金属盐复合微珠浸入至2-甲基咪唑-甲醇溶液中于室温下原位生长得到ZIF/CS微珠,所述ZIF/CS微珠即为三维双金属MOFs宏观微珠材料。过程如下:
步骤S2.1、采用去离子水将所述步骤S1得到的壳聚糖双金属盐复合微珠洗涤至洗涤液呈中性;
步骤S2.2、将2-甲基咪唑溶液溶于甲醇中形成的浓度为20g/L的溶液。
将步骤S2.1洗涤后的壳聚糖双金属盐复合微珠浸入至2-甲基咪唑-甲醇溶液中于室温下原位生长24h,其中2-甲基咪唑-甲醇溶液与壳聚糖溶液的体积比为1.5:1。
步骤S2.3、将步骤S2.2原位生长结束后的微珠与溶液分离,用去离子水洗涤微珠至洗涤液呈中性,然后于-53 ℃温度下冷冻干燥48h,得到ZIF/CS微珠。
实施例三
本实施例公开了一种纯壳聚糖微珠的制备方法,所得到的纯壳聚糖微珠用于与实施例二得到的ZIF/CS微珠进行性能比较实验,过程如下:
(1):将壳聚糖粉末完全溶解于质量分数为2%(v/v)的乙酸水溶液中,得到浓度为0.15g/L的壳聚糖溶液。
(2):将步骤(1)制得的壳聚糖溶液滴加至氢氧化钠溶液中静置5h,无需冷冻干燥,得到纯壳聚糖微珠。其中,壳聚糖溶液与氢氧化钠溶液的用量体积比为1:3。
(3):用去离子水将纯壳聚糖微珠洗涤至洗涤液呈中性,然后于-53 ℃温度下冷冻干燥48h,得到纯壳聚糖微珠。
实施例四
本实施例公开了一种Zn/Co/ZIF粉末材料的制备方法,所得到的Zn/Co/ZIF粉末用于与实施例二得到的ZIF/CS微珠进行性能比较实验,过程如下:
(a):将硝酸锌和硝酸钴按重量比为3:1溶解在甲醇溶液中,形成双金属盐溶液,硝酸锌和硝酸钴在甲醇的总浓度为20g/L。
(b):将2-甲基咪唑溶解在甲醇溶液中形成浓度为20g/L的2-甲基咪唑-甲醇溶液。
(c):1:1混合上述双金属盐溶液、2-甲基咪唑-甲醇溶液,并在室温下搅拌24 h。
(d):将步骤(c)得到的产物用甲醇洗三次,60 ℃下干燥12 h,得到的最终产物即为Zn/Co/ZIF粉末。
实施例五
本实施例是对实施例二制得的ZIF/CS微珠、实施例三制得的纯壳聚糖微珠、实施例四制得的Zn/Co/ZIF粉末材料的SEM、XRD、FT-IR对比说明。
对获得的上述材料,通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)等进行一系列的物理表征。
图1中(A)-(C)分别为Zn/Co/ZIF粉末、纯壳聚糖珠和ZIF/CS微珠的SEM图,从图中可以看出,合成的Zn/Co/ZIF粉末具有明显的多面体形状,尺寸均匀。在扫描电镜下,纯壳聚糖微珠具有光滑的聚合物基体和多孔表面。对于ZIF/CS微珠,从截面观察可以看出,ZIF颗粒分布均匀,没有明显的团聚现象。这证明了ZIF颗粒成功负载在了壳聚糖基质上。
图2为几种材料的XRD谱图,纯壳聚糖珠在20.4°时出现了一个清晰的非晶峰。对比Zn/Co/ZIF粉末可以看到,在ZIF/CS微珠中,ZIF的特征峰保持不变,说明在合成过程中ZIF的结构没有被破坏。证明了壳聚糖和ZIF的成功复合。
图3通过FT-IR技术探究ZIF/CS微珠对环丙沙星的吸附机理。吸附环丙沙星后,ZIF/CS微珠的O-H或N-H (3442 cm−1)、-NH2 (1636 cm−1)、咪唑环(692 cm−1和758 cm−1)吸收带均发生移动,表明这些基团参与了吸附过程。环丙沙星的O-H或N-H带的移动是由于-OH、-NHx等H受体基团与ZIF/CS微珠中含O或含N基团之间可能发生的氢键作用力。在环丙沙星吸附过程中,O-H或N-H峰发生移动,证实了F(即环丙沙星)与ZIF/CS微珠之间的静电相互作用。环丙沙星与ZIF/CS微珠之间的π-π堆积相互作用和静电相互作用导致了咪唑环带的移动。吸附四环素后,ZIF/CS微珠在410 cm−1处Zn-N的拉伸发生变化,表明吸附过程中可能发生环丙沙星-Zn络合物。
实施例六
本实施例展示一种双金属掺杂ZIF/CS复合珠为吸附剂对氟喹诺酮类抗生素的吸附性能实验例。
本发明使用实施例二制得的ZIF/CS微珠作为吸附剂,环丙沙星作为吸附对象,探究不同质量配比的复合材料、不同pH、环丙沙星初始浓度、竞争离子等对环丙沙星吸附性能的影响,进行吸附等温线模型拟合,探究出最优吸附条件,并探究吸附剂的重复利用性能,金属泄露情况,为高效去除环丙沙星并减小对环境的污染奠定充分基础。过程如下:
(1) 混合体系的体积为20 mL,ZIF/CS微珠的投加量为10 mg,环丙沙星浓度为20mg/L。调节混合体系的pH值为3~11,在25 oC下以180 r/min的转速震荡24 h;
(2) 混合体系的体积为20 mL,ZIF/CS微珠的投加量为10 mg,环丙沙星的初始浓度均设为10~200 mg/L,调节环丙沙星溶液的pH至7.0,在25 oC下以180 r/min的转速震荡24 h来探究不同浓度下的环丙沙星溶液吸附性能变化;
(3) ZIF/CS微珠在pH为7.0时探究了不同的离子(NaCl、KCl、CaCl2、Na2SO4、NaHCO3、Na2CO3)和不同浓度腐殖酸存在下对环丙沙星的吸附影响;
(4) ZIF/CS微珠吸附环丙沙星的洗脱液选择0.1 M NaOH。将吸附环丙沙星后的ZIF/CS微珠用洗脱液搅拌洗涤24 h,抽滤烘干,用于下一次实验。按照以上步骤重复9次,探究ZIF/CS复合珠的循环利用效果;
(5) 混合体系的体积为20 mL,ZIF/CS微珠和Zn/Co/ZIF粉末的投加量为10 mg。调节混合体系的pH值为3~11,在25 oC下以180 r/min的转速震荡24 h后,取上清液过膜稀释,测定不同pH下材料金属渗出情况。
如图4中(A)、(B)所示,ZIF/CS微珠的零电荷点在9.0左右,这意味着ZIF/CS微珠表面在溶液pH<9.0处是带正电的,在pH>9.0处带负电荷。可以观察到,ZIF/CS微珠在pH值为3~4时,吸附率较低,这主要是由于ZIF/CS微珠与同时带正电荷的环丙沙星分子之间存在很强的静电斥力以及ZIF/CS微珠的坍塌导致的。在pH 4.0~7.0范围内,环丙沙星分子变为中性,而ZIF/CS微珠保持正电荷,静电排斥力减弱,从而导致吸附能力随着pH的增加而提升。而ZIF/CS微珠在pH>9.0时,ZIF/CS微珠与环丙沙星之间的静电相互作用由强吸引转变为强排斥,导致吸附量呈下降趋势。根据以上实验结果,可以推断ZIF/CS微珠与环丙沙星之间的静电吸引应该是驱动吸附的因素之一。此外,还可以观察到,当pH在<7.0和>9.0时,此时静电相互作用为弱引力或强斥力,但仍发生吸附,这说明除了静电吸引之外,应该还有其他因素驱动环丙沙星的吸附。如ZIF中的咪唑环和环丙沙星中的芳香环之间的π-π堆积相互作用,环丙沙星与ZIF/CS微珠之间的氢键相互作用以及与金属的络合作用等。因为在pH为7.0时吸附效果最佳,后续实验均采用此pH。
图5(A)分别为Zn/Co/ZIF粉末、纯壳聚糖珠和ZIF/CS微珠对环丙沙星吸附性能变化图,从图中可以看出ZIF/CS微珠对环丙沙星的吸附效果优于纯壳聚糖珠,说明ZIF的引入提升了原始材料的吸附效果,且改善了粉末不宜回收的缺点,因此选用ZIF/CS微珠进行后续实验。图(B)为不同商业材料对环丙沙星吸附等温线拟合图。可以看出,对比不同的商业材料,ZIF/CS微珠的吸附效果最好,对环丙沙星的吸附量为338.15 mg/g,且符合Langmuir吸附等温线模型,这意味着ZIF/CS微珠在吸附过程中,主要是以单分子层化学吸附为主。
图6是不同干扰离子存在条件下ZIF/CS微珠对环丙沙星的吸附效果影响对比图。如图(A)所示,选取Cl-、SO4 2-、CO3 2-、HCO3 -、Na+、K+和Ca2+等离子,研究了ZIF/CS微珠在复杂水环境中的应用。在外加离子存在的情况下,ZIF/CS微珠对环丙沙星的吸附量变化不大。因此,这些离子的存在对ZIF/CS微珠对环丙沙星的吸附没有显著影响。图6中(B)为不同浓度腐殖酸存在条件下ZIF/CS微珠对环丙沙星的吸附效果影响图。从图中可以看出,腐殖酸的存在对环丙沙星的吸附没有明显影响,说明ZIF/CS微珠对环丙沙星的选择性吸附性能要优于其他离子。
图7中(A)、(B)可以看出经过9次循环后ZIF/CS微珠对环丙沙星的吸附率从90%下降到18%左右,吸附率的下降可能与ZIF/CS微珠在每次解吸之后本身吸附位点的损失有关。但仍可以看出,在前五次循环过程中,吸附率变化较小,远远超过其他粉末状吸附剂的回收效果。微珠状吸附剂在吸附-解吸过程中,无需离心收集等繁琐工序,因此质量损失小,操作简单。
图8对比粉末状和微珠状材料的金属离子渗出情况,从图中可以看出,对比Zn/Co/ZIF粉末,ZIF/CS微珠的金属渗出率明显更小,且在碱性条件下,材料更为稳定,金属泄露量小,这是因为壳聚糖在碱性环境中稳定。这证明了ZIF/CS微珠二次污染小,在一定程度上降低了MOFs对环境的潜在风险,为MOFs的回收利用提供了思路。
因此,从本实施例可以看出,实施例二制得的ZIF/CS微珠具有良好的重现性、可重复使用性和操作简便等优点,是去除FQs的理想材料,同时也提高了MOFs纳米颗粒作为吸附剂在实际应用中的安全性。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述,并非对本发明构思和范围进行限定,在不脱离本发明设计思想的前提下,本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进,均应落入本发明的保护范围,本发明请求保护的技术内容,已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种三维双金属MOFs宏观微珠材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1、制备壳聚糖双金属盐复合微珠;
步骤S2、将步骤S1得到的壳聚糖双金属盐复合微珠浸入至2-甲基咪唑溶液中于室温下原位生长23~25h,得到ZIF/CS微珠,所述ZIF/CS微珠即为三维双金属MOFs宏观微珠材料。
2.根据权利要求1所述的一种三维双金属MOFs宏观微珠材料的制备方法,其特征在于,步骤S1中采用壳聚糖和两种金属盐制备壳聚糖双金属盐复合微珠,过程如下:
步骤S1.1、将壳聚糖粉末完全溶解于质量分数为2%~5%(v/v)的乙酸水溶液中,得到浓度为0.15g/L的壳聚糖溶液;
步骤S1.2、将两种金属盐完全溶解于步骤S1.1得到的壳聚糖溶液中得到壳聚糖双金属盐溶液,然后将所述壳聚糖双金属盐溶液滴加至氢氧化钠溶液中静置4.5~5.2h,得到壳聚糖双金属盐复合微珠。
3.根据权利要求2所述的一种三维双金属MOFs宏观微珠材料的制备方法,其特征在于,步骤S1.2中,两种金属盐分别为硝酸锌、硝酸钴,硝酸锌、硝酸钴按质量比为3:1混合后溶解于壳聚糖溶液中,其中硝酸锌、硝酸钴的总重量与壳聚糖粉末重量的比例关系为2:1。
4.根据权利要求2所述的一种三维双金属MOFs宏观微珠材料的制备方法,其特征在于,步骤S1.2中,壳聚糖双金属盐溶液与氢氧化钠溶液的用量体积比为1:3。
5.根据权利要求1所述的一种三维双金属MOFs宏观微珠材料的制备方法,其特征在于,步骤S2过程如下:
步骤S2.1、将所述步骤S1得到的壳聚糖双金属盐复合微珠洗涤至洗涤液呈中性;
步骤S2.2、将步骤S2.1洗涤后的壳聚糖双金属盐复合微珠浸入至2-甲基咪唑-甲醇溶液中于室温下原位生长23~25h,其中2-甲基咪唑-甲醇溶液与壳聚糖溶液的体积比为1.5:1;
步骤S2.3、将步骤S2.2原位生长结束后的微珠与溶液分离,用去离子水洗涤微珠至洗涤液呈中性,然后于-52~-55 ℃温度下冷冻干燥46~49h,得到ZIF/CS微珠。
6.根据权利要求5所述的一种三维双金属MOFs宏观微珠材料的制备方法,其特征在于,步骤S2.2中,所述2-甲基咪唑-甲醇溶液为2-甲基咪唑溶液溶于甲醇中形成的浓度为20g/L的溶液。
7.一种如权利要求1-6中任意一项所述制备方法制得的三维双金属MOFs宏观微珠材料在去除水中氟喹诺酮类抗生素药物的应用。
8.根据权利要求7所述三维双金属MOFs宏观微珠材料在去除水中氟喹诺酮类抗生素药物的应用,其特征在于,所述氟喹诺酮类抗生素药物包括环丙沙星。
9.根据权利要求7所述三维双金属MOFs宏观微珠材料在去除水中氟喹诺酮类抗生素药物的应用,其特征在于,所述氟喹诺酮类抗生素药物包括诺氟沙星。
10.根据权利要求7所述三维双金属MOFs宏观微珠材料在去除水中氟喹诺酮类抗生素药物的应用,其特征在于,所述氟喹诺酮类抗生素药物包括氧氟沙星。
CN202211385762.9A 2022-11-07 2022-11-07 一种三维双金属MOFs宏观微珠材料的制备方法及应用 Pending CN115582100A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211385762.9A CN115582100A (zh) 2022-11-07 2022-11-07 一种三维双金属MOFs宏观微珠材料的制备方法及应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211385762.9A CN115582100A (zh) 2022-11-07 2022-11-07 一种三维双金属MOFs宏观微珠材料的制备方法及应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115582100A true CN115582100A (zh) 2023-01-10

Family

ID=84782290

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211385762.9A Pending CN115582100A (zh) 2022-11-07 2022-11-07 一种三维双金属MOFs宏观微珠材料的制备方法及应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115582100A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116850949A (zh) * 2023-05-26 2023-10-10 安徽农业大学 一种UiO-W复合木膜及其制备方法和应用

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105566660A (zh) * 2016-02-04 2016-05-11 南京师范大学 一种壳聚糖-金属有机框架复合小球及其制备方法和应用
WO2016077659A1 (en) * 2014-11-14 2016-05-19 William Wingfield Chelated metal oxide gel compositions
CN108467490A (zh) * 2018-03-29 2018-08-31 中国农业科学院蔬菜花卉研究所 功能化金属有机框架多孔材料及其制备方法和用途
CN109225144A (zh) * 2018-11-20 2019-01-18 河南师范大学 一种氟喹诺酮类抗生素吸附剂的制备方法
CN109320733A (zh) * 2018-10-29 2019-02-12 广西大学 一种宏量制备MOFs@天然高分子新型复合材料的方法
CN110237820A (zh) * 2019-06-20 2019-09-17 宁夏大学 微波辅助磁性中空Zn/Co沸石咪唑纳米笼材料的制备方法及应用
US20200197901A1 (en) * 2018-10-25 2020-06-25 Uti Limited Partnership Metal organic framework (mof) composite materials, methods, and uses thereof
CN113019332A (zh) * 2021-03-01 2021-06-25 齐鲁工业大学 一种壳聚糖/zif-8复合材料及其制备方法与应用

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016077659A1 (en) * 2014-11-14 2016-05-19 William Wingfield Chelated metal oxide gel compositions
CN105566660A (zh) * 2016-02-04 2016-05-11 南京师范大学 一种壳聚糖-金属有机框架复合小球及其制备方法和应用
CN108467490A (zh) * 2018-03-29 2018-08-31 中国农业科学院蔬菜花卉研究所 功能化金属有机框架多孔材料及其制备方法和用途
US20200197901A1 (en) * 2018-10-25 2020-06-25 Uti Limited Partnership Metal organic framework (mof) composite materials, methods, and uses thereof
CN109320733A (zh) * 2018-10-29 2019-02-12 广西大学 一种宏量制备MOFs@天然高分子新型复合材料的方法
CN109225144A (zh) * 2018-11-20 2019-01-18 河南师范大学 一种氟喹诺酮类抗生素吸附剂的制备方法
CN110237820A (zh) * 2019-06-20 2019-09-17 宁夏大学 微波辅助磁性中空Zn/Co沸石咪唑纳米笼材料的制备方法及应用
CN113019332A (zh) * 2021-03-01 2021-06-25 齐鲁工业大学 一种壳聚糖/zif-8复合材料及其制备方法与应用

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ABDOLRAOUF SAMADI-MAYBODI ET AL.: ""One-step Fabrication of Three Metals Zif and its Application for Adsorption of Levofloxacin in Aqueous Solution"", 《CURRENT ANALYTICAL CHEMISTRY》, vol. 16, pages 933 - 946 *
ABDOLRAOUF SAMADI-MAYBODI ET AL.: ""Synthesis and characterization of dual metal zeolitic imidazolate frameworks and their application for removal of cefixime"", 《JOURNAL OF COORDINATION CHEMISTRY》, vol. 7, pages 1 - 12 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116850949A (zh) * 2023-05-26 2023-10-10 安徽农业大学 一种UiO-W复合木膜及其制备方法和应用
CN116850949B (zh) * 2023-05-26 2024-05-07 安徽农业大学 一种UiO-W复合木膜及其制备方法和应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Upadhyay et al. Recent advances in heavy metal removal by chitosan based adsorbents
Fan et al. Fabrication of polyethylenimine-functionalized sodium alginate/cellulose nanocrystal/polyvinyl alcohol core–shell microspheres ((PVA/SA/CNC)@ PEI) for diclofenac sodium adsorption
Lu et al. Fabrication of cross-linked chitosan beads grafted by polyethylenimine for efficient adsorption of diclofenac sodium from water
Abd El-Monaem et al. Floatable cellulose acetate beads embedded with flower-like zwitterionic binary MOF/PDA for efficient removal of tetracycline
Li et al. A mesoporous nanocellulose/sodium alginate/carboxymethyl-chitosan gel beads for efficient adsorption of Cu2+ and Pb2+
Zhang et al. Uptake of Pb (II) and Cd (II) on chitosan microsphere surface successively grafted by methyl acrylate and diethylenetriamine
US10537873B2 (en) Synthesis and application of MOFs/natural polymers composite beads adsorbents
Shang et al. Preferable uptake of phosphate by hydrous zirconium oxide nanoparticles embedded in quaternary-ammonium Chinese reed
Zhang et al. Fabrication of L-cysteine stabilized α-FeOOH nanocomposite on porous hydrophilic biochar as an effective adsorbent for Pb2+ removal
Zhang et al. Sorption enhancement of lead ions from water by surface charged polystyrene-supported nano-zirconium oxide composites
Lin et al. A facile one-step synthesized epsilon-MnO2 nanoflowers for effective removal of lead ions from wastewater
WO2017096638A1 (zh) 二氧化锰纳米线@多维介孔金属有机骨架吸附剂及其制备
CN109569725B (zh) 一种一步法制备磁性Cu(I)微球催化剂的方法
Liu et al. Fabrication of novel magnetic core-shell chelating adsorbent for rapid and highly efficient adsorption of heavy metal ions from aqueous solution
CN106824113B (zh) 一种咪唑类离子液体改性壳聚糖吸附剂的制备及其应用
El Rouby et al. Efficient water decontamination using layered double hydroxide beads nanocomposites
CN115582100A (zh) 一种三维双金属MOFs宏观微珠材料的制备方法及应用
WO2018122878A1 (en) Method for preparing cellulose microstructures-templated nanocomposites with enhanced arsenic removal capacity and a purifier thereof
CN108514870B (zh) 水滑石-聚间苯二胺复合材料及其制备方法和应用
CN104289200B (zh) 一种磁性hacc/氧化多壁碳纳米管吸附剂的制备方法及应用
Liu et al. Tentacle-type poly (hydroxamic acid)-modified macroporous cellulose beads: Synthesis, characterization, and application for heavy metal ions adsorption
Jamnongkan et al. Green adsorbents for copper (II) biosorption from waste aqueous solution based on hydrogel-beads of biomaterials
Li et al. Adsorption of heavy metals and antibacterial activity of silicon-doped chitosan composite microspheres loaded with ZIF-8
KR101679563B1 (ko) 다층막으로 된 하이드로젤 캡슐 및 이의 제조방법
Qi et al. Bioinspired synthesis of fiber-shaped silk fibroin-ferric oxide nanohybrid for superior elimination of antimonite

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination