【MOF吸附As】MIL-101(Fe)@陶瓷单片用于水溶液中除砷

首页 > 行业动态 > 【MOF吸附As】MIL-101(Fe)@陶瓷单片用于水溶液中除砷

摘要：
Universidad Nacional de Colombia的S. Amaya-Roncancio&D. A. Torres-Ceron老师等报道的本篇文章（Sci Rep 14, 29622 (2024)）中介绍了一种由金属-有机框架（MOF，类型MIL-101(Fe)）和天然粘土陶瓷单体（NCCM）组成的复合材料的制备。通过原位水热法成功组装了这两种材料。复合材料通过多种技术进行了表征，包括粉末X射线衍射（PXRD）、热重分析（TGA）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、77K下的N2吸附-脱附等温线和273K下的CO2吸附等温线。这些技术不仅确认了复合材料的获得，还通过吸附前后的机制研究识别了涉及的吸附机制。接着，评估了材料对水溶液中As(V)的吸附容量，分别高达268 mg g−1和61.5 mg g−1。此外，还进行了As(V)吸附的动力学和平衡研究。最后，通过密度泛函理论（DFT）计算研究了由Al2O3、AlO6-SiO4和Fe3O4组成的复合材料对H3AsO4吸附的潜在能力。

研究背景：
1. 行业问题：在水处理领域，砷的去除是一个重要问题，因为它对人类健康构成威胁。
2. 其他学者的解决方案：已有研究使用金属-有机框架（MOFs）作为吸附剂，但由于其粉末形态和昂贵的配体成本，限制了其实际应用。
3. 本文作者的创新改进：本文作者通过将MIL-101(Fe)与天然粘土陶瓷单体结合，制备了一种新型复合材料，旨在提高砷的去除效率并降低成本。

实验部分：
1. MIL-101(Fe)的合成：
1) 将1.324 g FeCl3·6H2O和0.412 g BDC溶解在40 mL DMF中，将溶液加热至110°C保持20小时。
2) 反应后，将反应器冷却至室温，倾泻溶剂，剩余固体与DMF（30 mL）接触两天，期间更换溶剂两次。
3) 随后，用乙醇（30 mL）替代DMF，重复上述步骤，最终在室温下真空干燥溶剂。
2. 陶瓷单体（CM）的合成：
1) 将47.5%天然膨润土、47.5%氧化铝和5%淀粉作为粘合剂混合，加入水调节粘度，通过喷嘴挤出形成2 cm长×2.7 cm宽的蜂窝状单体，孔径为2 mm×2 mm，壁厚0.9 mm。
2) 将挤出的单体在室温下真空干燥48小时，然后进行600°C的热处理1小时。
3. MIL-101(Fe)@CM复合材料的合成：
1) 将1.987 g FeCl3·6H2O和0.618 g BDC溶解在40 mL DMF中，加入1.324 g CM，保持110°C反应20小时。
2) 按照MIL-101(Fe)合成的后处理步骤处理所得材料，得到MIL-101(Fe)@CM复合材料。
4. As(V)吸附测试：
1) 动力学实验：取100 mg MIL-101(Fe)和250 mg MIL-101(Fe)@CM于200 mL和100 mL的As(V)溶液中，初始浓度为100 mg L−1，200 rpm搅拌，pH 7，取样时间从0到24-36小时。
2) 等温线实验：取2.5-10 mg材料于10 mL溶液中，As(V)浓度为0.1-100 mg L−1，200 rpm搅拌，pH 7，室温下保持24小时，过滤后测定溶液中As(V)浓度。

分析测试：
1. PXRD分析：使用Bruker D8 Advance衍射仪，CuKα辐射，2-50° 2θ范围内连续扫描，扫描速率2°/min，步长0.02°。
2. FTIR测量：使用Bruker IFS 66/S光谱仪，分辨率5 cm−1，使用无水KBr作为分散剂。
3. XPS分析：使用 Specs FlexMod XPS系统，Al Ka源（1486.6 eV）进行表面元素分析。
4. SEM图像：使用LEO 1450 VP扫描电子显微镜，样品金镀30 nm，15 kV电压下拍摄。
5. TGA分析：使用TA Instruments SDT Q600同时分析仪，在空气氛围下，从室温至900°C，加热速率10°C/min。
6. N2吸附-脱附等温线：在Quantachrome Instruments Autosorb iQ分析仪上，77 K下测定，样品在150°C真空下预处理12小时。
7. CO2吸附等温线：在Micromeritics ASAP 2050分析仪上，273 K下测定，压力达到10 bar。
8. 比表面积和孔隙结构分析：
- MIL-101(Fe)：比表面积2200 m²/g，微孔体积0.853 cm³/g，中孔体积0.172 cm³/g，总孔体积1.02 cm³/g。
- CM：比表面积9 m²/g，微孔体积0.021 cm³/g，中孔体积0.02 cm³/g，总孔体积0.06 cm³/g。
- MIL-101(Fe)@CM：比表面积90 m²/g，微孔体积0.031 cm³/g，中孔体积0.031 cm³/g，总孔体积0.06 cm³/g。
9. 孔径分布分析：
- MIL-101(Fe)：微孔尺寸1.2 nm，窄中孔尺寸2.8 nm。
- CM：全中孔分布。
- MIL-101(Fe)@CM：结合CM和MIL-101(Fe)的孔径分布，窄中孔尺寸2.8 nm，微孔尺寸1.2 nm。
10. As(V)吸附动力学模型参数：
- MIL-101(Fe)：Pseudo-first-order模型拟合最佳，qe为206.2 mg g−1，K1为4.69 h−1，R2为0.998。
- MIL-101(Fe)@CM：Elovich模型拟合最佳，α为292.4 mg g−1 h−1，β为0.12 g mg−1，R2为0.964。
11. As(V)吸附等温线模型参数：
- MIL-101(Fe)：Langmuir模型拟合最佳，qmax为322.6 mg g−1，KL为0.13 L mg−1，R2为0.954。
- MIL-101(Fe)@CM：Langmuir模型拟合最佳，qmax为70.4 mg g−1，KL为0.18 L mg−1，R2为0.981。

总结：
本文成功制备了MIL-101(Fe)@CM复合材料，并对其在水溶液中去除As(V)的能力进行了评估。复合材料展现出较高的吸附容量，分别为268 mg g−1和61.5 mg g−1。通过FTIR和XPS研究，揭示了As(V)吸附机制。DFT计算进一步支持了实验结果，表明Fe3O4、AlO6-SiO4和Al2O3对H3AsO4具有较强的吸附能力。

展望：
本文的研究为MOF与陶瓷单体的结合提供了新策略，为去除砷和其他分子提供了有希望的候选材料。未来的研究可以探索复合材料的再生和循环利用，以提高材料的实际应用价值。此外，可以进一步研究复合材料在不同水处理条件下的性能，以及其对其他污染物的吸附能力。

MIL-101(Fe)@ceramic-monolith for arsenic removal in aqueous solutions
文章作者：D. Villarroel-Rocha, C. García-Carvajal, S. Amaya-Roncancio, J. Villarroel-Rocha, D. A. Torres-Ceron, E. Restrepo-Parra & K. Sapag
DOI：10.1038/s41598-024-80400-7
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41598-024-80400-7

本文为科研用户原创分享上传用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权等请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。