多种因素对MIL-101(Cr)选择性吸附水溶液中染料的影响

2015-02-14 09:34徐艳丽杨汉标吕盟盟陈琪刘雪霆魏凤玉
化工学报 2015年10期
关键词:单组分双组分阴离子

徐艳丽,杨汉标,吕盟盟,陈琪,刘雪霆,魏凤玉

(合肥工业大学化学与化工学院,可控化学与材料化工安徽省重点实验室,安徽 合肥 230009)

多种因素对MIL-101(Cr)选择性吸附水溶液中染料的影响

徐艳丽,杨汉标,吕盟盟,陈琪,刘雪霆,魏凤玉

(合肥工业大学化学与化工学院,可控化学与材料化工安徽省重点实验室,安徽 合肥 230009)

在多种条件下研究了金属有机框架MIL-101(Cr)对阳离子型染料(亚甲基蓝、罗丹明B)和阴离子型染料(甲基橙、酸性铬蓝K)的吸附性质,主要研究了MIL-101(Cr)对亚甲基蓝和甲基橙的选择性吸附作用。结果表明,中性环境下无论在单组分还是双组分体系中MIL-101(Cr)对阴离子型染料的吸附能力均大于对阳离子型的吸附能力。在pH=3,T=300 K的条件下,选择性系数β可达5.9,但随着pH的增加,选择性系数逐渐降低。相比之下,温度对吸附的选择性影响不大。选择性吸附的机理可以解释为:由于表面带正电荷,MIL-101(Cr)对阴离子型染料产生静电吸引作用;相反,对阳离子型染料的排斥作用而降低了其吸附能力。另外,乙二胺改性提高了MIL-101(Cr)对阴离子型染料的选择吸附性能,而草酸改性降低了选择吸附性。

吸附剂;选择性吸附;阳离子型染料;阴离子型染料;动力学;稳定性

引 言

工业的快速发展不仅改变了人们的生活,也带来了巨大的财富。但与此同时,给环境带来的污染也越来越严重。现今,由于大多数的工业废水含有多种污染物,因此涉及选择性吸附的研究是一项很重要的工作。吸附分离技术已经被证实是一种能高效去除废水中不能降解的污染物(包括染料)的技术,因此相关研究引起了广泛关注[1-3]。

近年来,金属有机框架(MOFs)材料因具有优异的物理和化学特性,而吸引了很多学者的兴趣[4-5]。MOFs材料是一类新兴的多孔晶态材料,它是由有机配体和无机金属节点连接而形成的。这类材料不仅有巨大的比表面积,而且其孔径可调,还可以作为多种客体分子的主体[6]。其中MIL-101(Cr)是一种被广泛研究的MOFs,并且在多个领域如吸附[7-8]、毒性污染物的去除[9]等方面得到了广泛的应用。研究结果表明MOFs对常见气体例如H2、N2、O2、CO2和CH4等具有良好的吸附性能,其吸附量大大超过了一般的分子筛或者沸石[10]。有许多学者开展了MOFs材料包括MIL-101(Cr)对气体分离的研究[11-13],但是将MOFs应用于液体中污染物的吸附净化研究还较少。据估计,每年有超过10万种商品染料用于生产超过7×105t的产品[14-15]。其中的许多产品被认为是有毒的,甚至可以致癌[16]。

尽管MIL-101(Cr)具有很好的吸附性能,但是涉及其水溶液中吸附性能的研究还较少。本文用水热法合成了MIL-101(Cr)并研究了在同一条件下其对阳离子型染料亚甲基蓝和阴离子型染料甲基橙的单组分吸附性能。另外,还测试了其对亚甲基蓝和甲基橙组成的双组分体系的吸附性质,系统研究了温度、pH、酸碱改性和再生等因素对选择性吸附的影响。

1 实验材料和方法

1.1 试剂与原料

九水硝酸铬、对苯二甲酸、氢氟酸、N,N-二甲基甲酰胺、三氯甲烷、乙二胺(ED)、草酸(OA)、罗丹明B(RhB)、甲基橙(HB)、亚甲基蓝(MB)、酸性铬蓝K(ACBK)均为分析纯,由国药集团化学试剂有限公司提供。

MIL-101(Cr)是按照先前报道的水热法合成的[17]。步骤如下:将2.000 g Cr(NO3)3·9H2O和0.820 g对苯二甲酸分别加入12 ml的蒸馏水中,搅拌2 h后,混合,形成深蓝的悬浮液。然后滴入7滴氢氟酸。搅拌0.5 h后转入聚四氟乙烯内衬釜中,493 K下加热24 h。将反应釜冷却到室温,过滤,得到绿色的固体产物。为了除去没有反应的对苯二甲酸[18],将上述的绿色固体放入20 ml的N,N-二甲基甲酰胺中,353 K加热3 h,然后抽滤干燥。得到的固体用20 ml的三氯甲烷溶液浸泡24 h,以除去MIL-101(Cr)孔隙中的N,N-二甲基甲酰胺,再抽滤干燥。

在制备碱改性的MIL-101(Cr)时,乙二胺(ED)作为提供-NH2基团的原料。其-NH2基团可与MIL-101(Cr)中不饱和的金属离子配位。改性前,MIL-101(Cr)在真空中423 K干燥12 h。然后取0.600 g样品,加入50 ml的无水甲苯,再加入0.2 ml乙二胺,回流搅拌12 h。得到的产品用水和无水乙醇洗涤,抽滤,然后在室温下干燥。采用相同的方法进行草酸改性,草酸的用量为0.300 g。用乙二胺改性的MIL-101(Cr)命名为ED-MIL-101(Cr),用草酸改性的MIL-101(Cr)命名为OA-MIL-101(Cr)。

1.2 MIL-101(Cr)对染料的吸附性能测试

首先,进行MIL-101(Cr)对4种染料(罗丹明B、亚甲基蓝、酸性铬蓝K、甲基橙)的吸附实验。取0.020 g的MIL-101(Cr)分别放入浓度为14.4 mg·L−1,体积为100 ml的溶液中,在300 K无光条件下搅拌300 min,在不同的时间间隔内,取4 ml的溶液进行离心,并测试溶液的浓度。

选择亚甲基蓝和甲基橙分别作为阳离子型和阴离子型染料的代表,测定MIL-101(Cr)的吸附性能。研究多种因素在单组分和双组分条件下对MIL-101(Cr)吸附选择性能的影响。为了研究在单组分条件下pH对MIL-101(Cr)选择性吸附的影响,在T=300 K下,将0.020 g的吸附剂分别放入100 ml初始浓度COMB=6 mg·L−1的亚甲基蓝和初始浓度COHB=20 mg·L−1的甲基橙溶液中,改变溶液pH,暗处吸附,不断搅拌,60 min后达到平衡。在不同的时间间隔内,取4 ml溶液进行离心,并测试溶液的浓度。另外,在不同初始浓度、不同温度下分别对单组分进行吸附实验,方法同上。

为了得到双组分体系下亚甲基蓝和甲基橙的焓变(ΔH⊖),在不同温度下(300、293 K)把相同初始浓度,体积均为100 ml的甲基橙和亚甲基蓝溶液混合。为了研究在双组分条件下pH对MIL-101(Cr)选择性吸附的影响,在300 K温度下,将初始浓度均为20 mg·L−1的甲基橙和亚甲基蓝溶液混合成200 ml的双组分体系,只改变pH进行吸附实验。同理,改变温度对MIL-101进行吸附测试。按照同样的方法,测试了草酸和乙二胺改性对选择性吸附性能的影响。

1.3 表征

用XRD检测样品的晶体特征(D/MMAX2500V,日本理学制造)。紫外可见吸收光谱用来测试水溶液中染料的浓度(UV2550,日本岛津公司)。甲基橙的吸收波长为463 nm,亚甲基蓝的吸收波长为663 nm。吸附量用式(1)计算

式中,C0、Ct分别为在t=0和t=t时刻时溶液的浓度,mg·L−1;V为溶液的体积,L;m为吸附剂的质量,g。吸附达到平衡时,Qt=Qe。选择性系数β用来表征选择性吸附能力的大小,通过式(2)计算

式中,κ1、κ2分别为HB和MB的吸附系数。其计算公式如下

式中,Ce为水溶液中染料的平衡浓度。染料的吸附率η(%)可通过式(4)计算

2 结果与讨论

2.1 单组分体系的吸附

如图1所示,由于MIL-101(Cr)表面有大量的吸附位,所以刚开始,染料被吸附的速率很快。随着时间的推移,吸附速率减慢,60 min后吸附达到平衡。图1表明MIL-101(Cr)对4种染料吸附量大小的排列顺序HB>ACBK >> RB>MB。换句话说,MIL-101(Cr)对HB和ACBK的吸附量明显大于对RB和MB的吸附量。有报道称MIL-101(Cr)在pH为7时表面带正电荷[19],而MB和RB是阳离子型染料,HB和ACBK为阴离子型染料。因此MIL-101(Cr)对阴离子型染料的吸附能力远大于对阳离子型染料的吸附能力。

图1 MIL-101(Cr)对4种水溶液中染料的吸附动力学Fig.1 Dynamic adsorption of four dyes in aqueous solutions onto MIL-101(Cr) at 300 K

图2所示为不同温度下MIL-101(Cr)对MB和HB的吸附动力学。可见MIL-101(Cr)对MB和HB的吸附量都是先快速增加,然后速率减慢并逐渐趋于平衡。随着温度的升高,两种染料的吸附量都是增加的。很多吸附剂对有机染料的吸附遵循Langmuir模型[20-22]。该模型的基础是假设结构相同的吸附剂对染料进行单分子层吸附。公式模型如下

式中,Qe为平衡吸附量,mg·g−1;Qmax为最大吸附量,mg·g−1;KL为Langmuir常数,L·mg−1。把式(5)改成如下形式

根据式(6)作图,计算得到Langmuir常数KL,进而可以计算MIL-101(Cr)对MB和HB吸附的标准焓变(ΔH⊖)。公式为

图2 不同温度下MIL-101(Cr)对MB和HB的吸附动力学Fig.2 Dynamic adsorption of MB (inset) and HB on MIL-101(Cr) at different temperatures(COMB=6 mg·L−1,COHB=20 mg·L−1, pH=7)

式中,K1、K2为温度T1、T2时的Langmuir常数。

表1所示的是相关参数,标准焓变和线性系数。线性系数R2都接近1,说明MIL-101(Cr)对两种染料的吸附符合Langmuir模型。另外,根据该模型,可以计算出MIL-101(Cr)对两种染料的最大吸附量Qmax。如表1所示,MB和HB的标准焓变分别为16.436和42.037 kJ·mol−1,焓变都大于0,说明在单组分体系下MIL-101(Cr) 对两种染料的吸附是吸热过程。随着温度增加,两种染料的最大吸附量增加。

表1 单组分体系中,MIL-101(Cr)吸附MB和HB的等温线参数以及焓变ΔH⊖Table 1 Isotherm parameters for adsorption of MB and HB onto MIL-101(Cr) and ΔH⊖in single component system

图3所示的是pH对两种染料吸附量的影响。可以看出在单组分体系中,在不同的pH下,两种染料的吸附量有明显的不同。随着pH的增加,样品对MB吸附量是逐渐增加的,相反,对HB的吸附逐渐减弱。选择性吸附常数则随着pH的增加而减小。

2.2 双组分体系的吸附

正如图1所示,在单组分体系下MIL-101(Cr)对阴离子型染料的吸附明显高于对阳离子型染料的吸附。为了更深入地研究MIL-101(Cr)对阴离子和阳离子型染料的选择性吸附作用,选取MB和HB分别作为阳离子型和阴离子型染料的代表。把相同浓度相同体积的两种染料混合,测试在双组分体系下,MIL-101(Cr)的选择吸附性能。

图3 在单组分体系温度为300 K下,MB和HB平衡吸附量随pH的变化Fig.3 Effects of pH values in single component system on MB and HB adsorption capacities(COMB=6 mg·L−1,COHB=20 mg·L−1)

2.2.1 温度对选择吸附性能的影响 从表2可以看出,选择性系数随着温度的升高而略微升高。为了探究双组分体系下,MIL-101(Cr)吸附的热力学性能,又设计实验得到在双组分体系下MIL-101(Cr)对MB和HB吸附的标准焓变(ΔH⊖)。用Langmuir模型和Freundlich模型模拟出在不同温度下的吸附等温线。Freundlich的模型公式为

式中,KF为Freundlich常数,说明吸附能力的大小;n为吸附与溶液浓度之间的非线性程度表征。

表2 双组分体系不同温度和不同pH下,MIL-101(Cr)对MB和HB吸附的选择性系数Table 2 Selectivity coefficientβof MB and HB on MIL-101(Cr) at different temperatures and different pH values in binary component system withCOHB=COMB=20 mg·L−1

两个模型的相关参数按照式(1)、式(6)、式(8)计算得到,见表3。可见,用Langmuir模型计算得到的相关线性系数都小于0.9,这说明在双组分体系下MIL-101(Cr)对两种染料的吸附不符合单分子层吸附特性。然而,用式(8)计算得到的相关线性系数R2都大于0.95,这说明MIL-101(Cr)对两种染料的吸附符合多分子层吸附特性。根据式(7)计算得到HB的ΔH⊖是负数,而MB的ΔH⊖为比较大的正数。在双组分体系下,HB和MB的吸附可能存在相互干扰,使得直接吸附到MIL-101(Cr)表面的是MB,由于HB和MB电性相反,相互吸引,所以MB要吸附到MIL-101(Cr)的表面要克服这种吸引,需要吸收更多的热量,表现为其ΔH⊖为比较大的正数,当MB吸附到MIL-101(Cr)的表面以后,由于MB带正电,增加了MIL-101(Cr)表面的正电性,使得带负电的HB的吸附更容易,表现为放热过程。其中机理还需要更深入的研究。

2.2.2 pH对选择性吸附的影响 pH对染料的吸附有较大的影响[23]。本文研究了300 K下,pH对选择吸附性能的影响。染料溶液的pH (3、5、7、9和11) 用NaOH和HNO3来调节。

表3 双组分体系下MIL-101(Cr)对MB和HB吸附的等温线参数及焓变Table 3 Isotherm parameters for adsorption of MB and HB onto MIL-101(Cr) and ΔH⊖in binary component system

表2显示当pH大于7时,选择系数小于1。说明选择吸附性能在酸性条件下比在碱性条件下高。在酸性条件下,MIL-101(Cr)表面显正电,因此容易吸附带负电的阴离子型染料HB。然而,在碱性条件下,MIL-101(Cr)表面带负电,因此易吸附带正电的阳离子型染料MB。

2.2.3 改性对选择性吸附的影响 图4所示的是改性前和酸、碱改性后MIL-101(Cr)的XRD。可以看出MIL-101(Cr)的特征峰与先前报道的相符。而且,酸、碱改性后MIL-101(Cr)特征峰变化不大。表明MIL-101(Cr)的结构基本稳定。表4为改性前以及酸、碱改性后材料孔隙结构参数。可以看出酸、碱改性后,比表面积都有所减小。这是因为官能团参与了MIL-101(Cr)的改性[11]。图5显示了酸、碱改性对选择吸附性能的影响,可知ED-MIL-101(Cr)比OA-MIL-101(Cr)更容易吸附HB。而且,HB的吸附量明显大于MB的吸附量。碱改性提高选择吸附性能的机理为:乙二胺附着在MIL-101(Cr)表面的-NH2基团质子化产生-NH3+基团,增加了表面的正电性,从而加大了对HB的吸附。酸改性机理可以解释为:附着在MIL-101(Cr)表面的草酸电离,MIL-101(Cr)的表面电位向负方向移动,导致MIL-101(Cr)对阴离子型HB的吸附选择性下降。

图4 MIL-101(Cr)、ED-MIL-101(Cr)和OA-MIL-101(Cr)的XRD图Fig.4 Powder XRD patterns of MIL-101(Cr), ED-MIL-101(Cr) and OA-MIL-101(Cr)

表4 MIL-101(Cr)、ED-MIL-101(Cr)和OA-MIL-101(Cr)孔隙结构参数Table 4 Textural properties of three adsorbents MIL-101(Cr), ED-MIL-101(Cr) and OA-MIL-101(Cr)

图5 MIL-101(Cr)、ED-MIL-101(Cr)以及OA-MIL-101(Cr)对HB和MB的吸附等温线Fig.5 Adsorption isotherms of HB and MB on MIL-101(Cr), ED-MIL-101(Cr) and OA-MIL-101(Cr)

3 再 生

吸附剂的回收利用对于商业应用具有重要意义。在本文再生实验中,HB和MB水溶液在混合前的浓度均为14 mg·L−1。将使用后的MIL-101(Cr)加入100 ml去离子水中超声60 min,过滤得到吸附剂用5 ml的CHCl3浸泡3 h,过滤,洗涤,干燥。表5为不同再生次数后的吸附量及选择性系数。可见,随再生次数的增加,MB和HB的吸附量逐渐减少,这可能是因为再生过程中吸附质并不能完全被洗去,部分的吸附质沉积在吸附剂的表面,堵塞了孔道,占据了MIL-101(Cr)的吸附活性位置,从而导致吸附率下降。虽然选择性系数β随着再生次数的增加而逐渐降低,但是经过4次再生后,β依然维持在第1次再生的76%左右,这表明MIL-101(Cr)在多次重复使用后依然保持了对阴离子的选择性吸附。图6所示的是吸附前、再生第1次和再生第4次的MIL-101(Cr)的XRD图。与吸附前相比,第1次和第4次再生后MIL-101(Cr)的特征峰没有消失,这说明MIL-101(Cr)的结构比较稳定,可以再生重复利用。

表5 再生对吸附量以及选择性系数的影响Table 5 Effect of regeneration time on selectivity coefficientβand adsorption capacity for HB and MB

图6 不同再生次数后的MIL-101(Cr)的XRD图Fig.6 XRD of MIL-101(Cr) for different regeneration times

4 结 论

本文选择MB和HB为代表性阳离子和阴离子型染料,研究MIL-101(Cr)分别在单组分和双组分体系下的吸附性能。在中性环境中,MIL-101(Cr)表面带正电荷使得其优先吸附阴离子型染料。在碱性环境中,MIL-101(Cr)优先吸附阳离子染料。MIL-101(Cr)的选择性系数随着温度的升高而升高,但变化不明显。乙二胺改性提高了MIL-101(Cr)对阴离子型染料的吸附选择性,但是草酸改性降低了其吸附选择性。再生减弱了选择吸附性以及吸附能力,但是结构比较稳定。综上所述,通过调节溶液pH、温度或者是改性等方法可以调控MIL-101(Cr)对水溶液中混合染料的选择吸附性。

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Effects of various factors on adsorption of MIL-101(Cr) for dyes in aqueous solutions

XU Yanli, YANG Hanbiao, LÜ Mengmeng, CHEN Qi, LIU Xueting, WEI Fengyu
(School of Chemistry and Chemical Engineering,Hefei University of Technology,Anhui Key Laboratory of Controllable Chemical Reaction & Material Chemical Engineering,Hefei230009,Anhui,China)

Under various conditions, the adsorption capacity of metal-organic framework, MIL-101(Cr), was measured for cationic dyes (methylene blue (MB), rhodamine B) and anionic dyes (helianthine B (HB), acid chrome blue K) in aqueous solutions. The effect of various factors on the adsorption selectivity of MIL-101(Cr) was studied for HB and MB in mixed solutions. The results show that the adsorption capacity to anionic dyes is higher than that to cationic dyes when the dyes exist solely or coexist. The selection coefficientβis 5.9 atT=300 K and pH=3, and it decreases obviously with the increase of pH value, while temperature has a little effect on adsorption selectivity. The mechanism for adsorption selectivity is that MIL-101(Cr) has positive surface potential, so there exist electrostatic attractive interactions between MIL-101(Cr) and anionic dye molecules while it is repulsion interaction for cationic dyes. Moreover, modification with ethyl diamine increases the adsorption selectivity of MIL-101(Cr) for anionic dyes, whereas with oxalic acid the selectivity decreases.

absorbent; adsorption selectivity; cationic dye; anionic dye; kinetics; stability

LIU Xueting, wmlxt@163.com; Prof. WEI Fengyu, weifyliuj@163.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20140942

TQ 136.1+1

:A

:0438—1157(2015)10—4025—07

2014-06-23收到初稿,2015-02-23收到修改稿。

联系人:刘雪霆,魏凤玉。

:徐艳丽(1990—),女,硕士研究生。

安徽省自然科学基金项目(1508085MB28);国家自然科学基金项目(51372062)。

Received date: 2014-06-23.

Foundation item: supported by the Natural Science Foundation of Anhui Province(1508085MB28) and the National Natural Science Foundation of China (51372062).

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