金属—有机骨架材料吸附分离水中有机物分子的实验研究

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金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks, MOFs)是一种新型纳微结构材料,具有比表面积和孔隙率高,功能性强,尺寸可调控,种类多样等优点,近年来已被广泛应用于气体吸附分离、膜分离、工业催化、药物控释等领域。但是,目前MOF材料在液相吸附分离方面的应用覆盖范围较窄,还需要进行大量的相关研究。单宁酸是一种水溶性的多酚化合物,多存在于皮革,医药,印染,食品等工业废水中,水中过量的单宁酸将会对人体和水生生物造成危害,因此脱除水中单宁酸成为了亟待解决的环境问题之一。氨基酸是构成生命体的基本单位,其中,L-苯丙氨酸是一种芳香族氨基酸,被广泛应用于医药和食品工业。在L-苯丙氨酸的生产过程中需要将其从水中分离出来,以达到提纯的目的。因此,研究MOF材料对水中L-苯丙氨酸的吸附性能,具有重要的学术和实用价值。本文以单宁酸和L-苯丙氨酸为研究对象,研究了MOF材料对这两种有机物分子的吸附性能。具体研究内容如下:1、采用水热/溶剂热合成法,制备了MIL-53(Cr), MIL-68(A1), MIL-100(Fe), MIL-100(Al), MIL-101(Fe), NH2-MIL-101 (Cr), MH2-MIL-1O1(A1), NH2-MIL-125(Ti), MIL-140A-Zr, UiO-66(Zr), NH2-UiO-66 (Zr), CAU-1, ZIF-8共13种性质稳定的MOF材料,并对这些材料采用BET表征和PXRD表征。2、采用静态间歇吸附法研究了UiO-66(Zr),NH2-UiO-66(Zr),CAU-1, MIL-53(Cr), NH2-MIL-125(Ti), NH2-MIL-101 (Cr), MIL-140A(Zr)等7种MOF材料对单宁酸的吸附性能。筛选结果表明,NH2-MIL-101(Cr)具有比传统多孔材料更强的吸附能力,其最大吸附量为942±10mg·g-1,此吸附过程符合Langmuir吸附模型和准二级动力学模型。除此之外,NH2-MIL-101(Cr)对于低浓度的单宁酸具有很好的脱除效果(当C0≤200 mg·L-1时,脱除率≥99%),可作为一种高效脱除水中单宁酸的吸附材料。3、采用静态间歇吸附法研究了MIL-68(A1), MIL-100(Fe), MIL-101(Fe), NH2-MIL-101(A1), MIL-100(Al), ZIF-8, UiO-66(Zr), NH2-MIL-125(Ti)等8种MOF材料对L-苯丙氨酸的的吸附性能。筛选结果表明,ZIF-8具有较强的吸附能力,其最大吸附量为441±10mg·g-1,此吸附过程符合Freundlich吸附模型和准二级动力学模型。此外,吸附在ZIF-8上的L-苯丙氨酸还可以高效脱附,脱附率为84.32%。因此,ZIF-8被认为是一种有效地完成L-苯丙氨酸提纯过程的多孔吸附材料。
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