金属有机骨架材料ZIF⁃67对甲基橙的吸附性能

doi:10.3969/j.issn.1672-6952.2021.04.006

摘要/Abstract

摘要：

采用溶剂热法合成了金属有机骨架材料ZIF?67，并通过扫描电子显微镜（SEM）、X?射线粉末衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FT?IR）以及热重（TG）对其进行表征。将合成的ZIF?67用于水中甲基橙的吸附，系统地研究了pH、吸附剂质量、甲基橙初始质量浓度、接触时间和温度对吸附性能的影响。结果表明，当ZIF?67质量为20 mg、pH为7时，吸附效果最好；在303 K下吸附25 min达到平衡；在303 K下，ZIF?67对甲基橙的理论最大吸附量为152.67 mg/g。等温吸附数据符合Langmuir等温吸附模型，吸附动力学符合准二级吸附动力学模型，该吸附过程是一个自发的放热过程。乙醇可以对吸附后的ZIF?67较好地脱附，经过6次吸附?脱附循环仍保持较好的吸附效果。

关键词: ZIF?67, 甲基橙, 吸附, 动力学, 热力学

Abstract:

Metal organic framework ZIF?67 has been successfully fabricated via solvothermal method. The as?synthesized ZIF?67 was characterized by scanning electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, X?ray powder diffraction and thermogravimetric analysis. The adsorption property of ZIF?67 for methyl orange was investigated. The effects of pH value, dosage of adsorbent, initial concentration of methyl orange solution, contact time and temperature were discussed. The results show that the most proper dosage of ZIF?67 is 20 mg. When the pH value of the dye solution is 7, the adsorption capacity is the best. At 303 K, the adsorption reached an equilibrium within 25 min. The maximum adsorption capacity of ZIF?67 for methyl orange is 152.67 mg/g at 303 K. The isotherm data followed the Langmuir isotherm model and the kinetic adsorption obeyed the pseudo?second?order model. Thermodynamic parameters illustrated that the adsorption process is spontaneous and endothermic. The spent ZIF?67 has excellent regenerative performance by treating with ethanol, and the adsorption ability of ZIF?67 remains good after six adsorption?desorption cycles.

Key words: ZIF?67, Methyl orange, Adsorption, Kinetics, Thermodynamics

中图分类号:

O614

李明艳, 崔爽, 刘宁宁. 金属有机骨架材料ZIF⁃67对甲基橙的吸附性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(4): 34-40.

Mingyan Li, Shuang Cui, Ningning Liu. Adsorption Properties of Methyl Orange by Metal Organic Framework ZIF⁃67[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2021, 41(4): 34-40.

图/表 16

图1 ZIF?67的XRD谱图

图2 ZIF?67的FT?IR谱图

图3 ZIF?67的SEM照片

图4 ZIF?67的TG曲线

图5 pH对甲基橙吸附量的影响

图6 ZIF?67剂量对甲基橙移除率的影响

图7 甲基橙的初始质量浓度对吸附量的影响

图8 不同温度下接触时间对甲基橙吸附量的影响

图9 ZIF?67吸附甲基橙的Langmuir和Freundlich等温线

表1 303 K下吸附等温方程的拟合参数

Langmuir模型				Freundlich模型
q_m/(mg·g^-1)	K_L/(L·mg^-1)	R²		n	K_F/(mg·g^-1)	R²
152.67	0.504	0.997 1		3.274	54.82	0.867 7

图10 ZIF?67吸附甲基橙的准一级和准二级动力学拟合曲线

表2 准一级动力学拟合参数

T/K	q_e，exp/(mg·g^-1)	q_e，cal/(mg·g^-1)	k₁/min^-1	R²
303	24.70	5.131	0.084 3	0.788 8
313	24.60	7.503	0.132 9	0.917 0
323	24.50	4.109	0.114 8	0.864 5

表3 准二级动力学拟合参数

T/K

q_e，exp/

(mg·g^-1)

q_e，cal/

(mg·g^-1)

k₂/

(g·mg^-1·min^-1)

表4 不同温度下吸附的热力学参数

ΔH/

(kJ·mol^-1)

ΔS/

(J·mol^-1·K^-1)

ΔG/

(kJ·mol^-1)

图11 ZIF?67对甲基橙与亚甲基蓝混合溶液的选择性吸附

图12 不同循环次数的甲基橙移除率

参考文献 13

1	Dias E M， Petit C. Towards the use of metal⁃organic frameworks for water reuse： A review of the recent advances in the field of organic pollutants removal and degradation and the next steps in the field［J］. Journal of Materials Chemistry A， 2015， 3（45）： 22484⁃22506.
2	Moghaddam S S， Moghaddam M R A， Arami M. Coagulation/flocculation process for dye removal using sludge from water treatment plant： Optimization through response surface methodology［J］. Journal of Hazardous Materials， 2010， 175（1⁃3）： 651⁃657.
3	Haque E， Jun J W， Jhung S H. Adsorptive removal of methyl orange and methylene blue from aqueous solution with a metal⁃organic framework material， iron terephthalate （MOF⁃235）［J］. Journal of Hazardous Materials， 2011， 185（1）： 507⁃511.
4	Sachdeva S， Kumar A. Preparation of nanoporous composite carbon membrane for separation of Rhodamine B dye［J］. Journal of Membrane Science， 2009， 329（1⁃2）： 2⁃10.
5	El⁃Desoky H S， Ghoneim M M， El⁃Sheikh R， et al， Oxidation of Levafix CA reactive azo⁃dyes in industrial wastewater of textile dyeing by electro⁃generated Fenton's reagent［J］. Journal of Hazardous Materials， 2010， 175（1⁃3）： 858⁃865.
6	Labanda J， Sabate J， Llorens J. Modeling of the dynamic adsorption of an anionic dye through ion⁃exchange membrane adsorber［J］. Journal of Membrane Science， 2009， 340（1⁃2）： 234⁃240.
7	Li Z J， Zhang X W， Lin J， et al. Azo dye treatment with simultaneous electricity production in an anaerobic⁃aerobic sequential reactor and microbial fuel cell coupled system［J］. Bioresource Technology， 2010， 101（12）： 4440⁃4445.
8	Khan N A， Hasan Z， Jhung S H. Adsorptive removal of hazardous materials using metal⁃organic frameworks （MOFs）： A review［J］. Journal of Hazardous Materials， 2013，（244⁃245）： 444⁃456.
9	Lin K Y A， Chang H A. Ultra⁃high adsorption capacity of zeolitic imidazole framework⁃67 （ZIF⁃67） for removal of malachite green from water［J］. Chemosphere， 2015， 139： 624⁃631.
10	Li H， Ma H， Wang X， et al. Efficient oxidation of ethylbenzene catalyzed by cobalt zeolitic imidazolate framework ZIF⁃67 and NHPI［J］. Journal of Energy Chemistry， 2014， 23（6）： 742⁃746.
11	Bansal O P， Bansal V. Influence of time， pH， temperature， organic matter and exchangeable cations on the adsorption of oxamyl on illites and kaolinites［J］. Journal of Agricultural Science， 1980， 94（3）： 557⁃563.
12	Zhang H X， Wang X Y， Liang H H， et al. Adsorption behavior of Th（IV） onto illite： Effect of contact time， pH value， ionic strength， humic acid and temperature［J］. Applied Clay Science， 2016， 127⁃128： 35⁃43.
13	张湛杭，张景丽，刘建明. 金属有机骨架ZIF⁃67对刚果红的吸附性研究［J］. 天津城建大学学报， 2017，23（4）：267⁃272.

[1]	孟阳, 魏太庆, 艾丹, 王博, 范志平. 壳聚糖⁃稀土⁃生物炭对水体Cr(Ⅵ)的吸附性能分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(3): 14-20.
[2]	董梦圆, 任建民, 朱向哲. 建模方式对机床主轴⁃刀具耦合系统动力学特性的影响[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(3): 69-74.
[3]	赵静, 刘添翼, 李强, 张晓欣, 秦玉才, 宋丽娟. NaX分子筛吸附分离CO₂/CH₄的巨正则蒙特卡洛模拟[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(2): 13-19.
[4]	林长华, 李洋, 陈红伟, 钱伟强, 邓连军. 太阳能加热原油系统设计及热力学性能分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(1): 43-48.
[5]	杨萍, 李有喜, 蔡武锋, 梁文博, 段林海. 双金属MOF⁃74(Mg _x Ni_1-_x )的制备及其对CO₂/N₂的吸附分离性能研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(6): 1-7.
[6]	魏雨诗, 王锐, 林壮, 姜恒, 霍明仁, 陈欣悦, 梁晓艳, 张重阳. Fe₃O₄ 基β⁃环糊精聚合物的制备及吸附性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(6): 28-35.
[7]	李国豪, 万宇飞, 钱欣, 刘春雨, 姜智斌. 基于组分追踪的水合物抑制剂注入量计算[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(4): 32-36.
[8]	陈树军, 裴剑霖, 付越, 张亚雪. 改性MCM⁃41孔内水分子吸附扩散行为的模拟研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(3): 1-7.
[9]	吴巍, 刘玲, 赖晓晨, 王雪清, 郝晓霞. 弗罗里硅土处理低质量浓度氨氮废水研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(3): 14-18.
[10]	费永鑫, 马会强, 李爽. 改性活性污泥生物炭对水中苯酚吸附性能研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(3): 19-24.
[11]	佟思琦, 建伟伟, 海秋岩, 解伟欣, 孙易. 多孔固体材料吸附CO₂的研究进展[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(2): 30-37.
[12]	施逸帆, 孙京. 红薯生物质碳气凝胶的制备及其吸附性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(2): 8-14.
[13]	赵平月, 李爽, 宗芳, 马会强. 石油树脂废水污泥资源化及对磷的吸附性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(6): 48-52.
[14]	汤佳玉, 孔鹏飞, 鞠佳, 唐敏, 徐见飞, 王令, 陈胜. 不同结构碳纳米管吸附胆红素的研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(5): 38-43.
[15]	王雪, 建伟伟, 陆毅, 张绍鹏, 周小盟, 韩赛钊. Cu和Sn改性多壁碳纳米管对VOCs气体的吸附[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(5): 44-49.