蔡 杰

沸石咪唑酯骨架材料降解中性紅的研究

蔡 杰

（貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550025）

以水為溶劑，合成了沸石咪唑酯骨架材料ZIF-8，并將其應(yīng)用于陽離子染料中性紅的吸附降解，考察了溫度、時(shí)間、ZIF-8使用量等因素對(duì)降解反應(yīng)的影響。結(jié)果表明：在ZIF-8的使用量為5 mg、吸附溫度24 ℃、吸附時(shí)間10 min時(shí)，中性紅的降解率達(dá)95.9%。

ZIF-8；中性紅；吸附；降解

當(dāng)前，世界經(jīng)濟(jì)及現(xiàn)代工業(yè)得到了高速發(fā)展，而企業(yè)缺乏有效的管理措施，致使工業(yè)廢水大量排放，生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重的破壞，人類的生存和發(fā)展受到了威脅[1-2]。近年來，大量的地表水和地下水受到重金屬和陽離子染料廢水的污染，使得我國的水資源日益匱乏。其中，陽離子染料的生產(chǎn)過程及染色過程所排放出的廢水是我國水資源污染源之 一[3]。在此背景下，探索有效的廢水處理方法和開發(fā)環(huán)保高效的吸附材料是近年來研究的熱點(diǎn)方向。

目前，處理工業(yè)廢水的方法主要有生化法、絮凝法、吸附法、膜分離法等，但膜分離法、生化法及絮凝法存在成本高、能耗大、處理工序復(fù)雜等缺點(diǎn)[4]，而吸附法則因具有吸附降解效果好、操作簡便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，常被用于工業(yè)染料廢水的處理[5-8]。使用吸附法處理工業(yè)染料廢水時(shí)須要加入吸附劑，常用的吸附劑主要有炭類吸附劑、有機(jī)吸附劑、天然吸附劑、礦物吸附劑等，但這些吸附劑具有制備工藝復(fù)雜、成本較高等不足[9]。因此，研究合成具有特定結(jié)構(gòu)的吸附劑更能適用于吸附降解工業(yè)染料廢水。多孔金屬有機(jī)框架化合物（MOFs）又被稱為多孔配位聚合物，因具有可調(diào)控的結(jié)構(gòu)和孔道、大的比表面積、良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，在吸附催化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[10-12]。

沸石咪唑酯骨架（ZIFs）材料是MOFs材料中的一類，其中，ZIF-8是最具有代表的一種，它的比表面積可達(dá)1 400 m2·g-1，熱穩(wěn)定達(dá)420 ℃[13-14]。為此，本文以六水合硝酸鋅、三乙胺、2-甲基咪唑?yàn)樵希疄槿軇?，采用較為簡單的方法制備了ZIF-8吸附材料，并應(yīng)用于陽離子染料中性紅吸附降解，探討了ZIF-8使用量、吸附時(shí)間、吸附溫度對(duì)中性紅降解的影響，研究結(jié)果可為工業(yè)上染料廢水的處理提供有價(jià)值的信息。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

六水合硝酸鋅、三乙胺、2-甲基咪唑、中性紅，以上試劑為分析純。

UV-5200PC紫外可見分光光度計(jì)，電熱恒溫干燥箱，DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器， SHZ-Ⅲ型循環(huán)水真空泵，F(xiàn)A1004N電子天平（萬分位），電熱鼓風(fēng)干燥箱。

1.2 ZIF-8的制備

稱取1.622 g的二甲基咪唑溶于50 mL蒸餾水中，隨后加入1 mL三乙胺，攪拌加入溶有0.733 g六水合硝酸鋅水溶液50 mL，此時(shí)反應(yīng)體系中產(chǎn)生白色沉淀，室溫條件下繼續(xù)攪拌2 h，抽濾收集白色沉淀，并用水和乙醇洗滌2~3次，60 ℃干燥12 h得到ZIF-8材料。

1.3 中性紅標(biāo)準(zhǔn)溶液的配置及測(cè)定

稱取0.25 g中性紅溶解于蒸餾水中，將配好的中性紅溶液轉(zhuǎn)移到500 mL的容量瓶中，并定容，配置成質(zhì)量濃度為50 mg·L-1，最后將配好的中性紅溶液分別稀釋至質(zhì)量濃度為40、30、20、10、5 mg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)中性紅溶液。用UV-5200PC紫外可見分光光度計(jì)在中性紅的最大吸收波長下測(cè)定吸光度；根據(jù)吸光度數(shù)值得到標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖1所示。

1.4 ZIF-8對(duì)中性紅的吸附實(shí)驗(yàn)

量取質(zhì)量濃度為50 mg·L-1的中性紅溶液25 mL放入50 mL的圓底燒瓶中，隨后加入一定量的ZIF-8吸附材料，磁力攪拌下吸附降解一段時(shí)間后，將反應(yīng)混合物過濾，吸取上清液用UV-5200PC紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定其吸光度，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算其質(zhì)量濃度，根據(jù)吸附前中性紅質(zhì)量濃度與吸附后中性紅質(zhì)量濃度得到其吸附率。

圖1 陽離子染料中性紅的標(biāo)準(zhǔn)曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 ZIF-8使用量對(duì)中性紅降解的影響

在吸附時(shí)間為30 min、吸附溫度為24 ℃下，將質(zhì)量濃度為50 mg·L-1的中性紅溶液25 mL加入到圓底燒瓶中，探究ZIF-8使用量對(duì)中性紅溶液降解的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 吸附劑用量對(duì)陽離子染料中性紅降解的影響

由圖2可以看出，隨著ZIF-8使用量的增加，陽離子染料中性紅的降解率也隨之增加，這是由于ZIF-8使用量增多時(shí)，吸附的表面積也相應(yīng)增大，吸附效果得到改善[15]。當(dāng)ZIF-8的用量從1 mg增加到5 mg時(shí)，中性紅的降解率由90.7%增加到95.0%。繼續(xù)增加ZIF-8的使用量，吸附處于動(dòng)態(tài)平衡，且降解率略有下降，當(dāng)ZIF-8的使用量為8 mg時(shí)，中性紅的降解率為94.0%。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇ZIF-8的最佳使用量為5 mg。

2.2 吸附時(shí)間對(duì)中性紅降解的影響

在吸附溫度為24 ℃、ZIF-8使用量為5 mg下，將質(zhì)量濃度為50 mg·L-1的中性紅溶液25 mL加入到圓底燒瓶中，研究吸附時(shí)間對(duì)中性紅溶液降解的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖 3 吸附時(shí)間對(duì)陽離子染料中性紅降解的影響

由圖3可知，但吸附時(shí)間為2 min時(shí)，中性紅降解率較低，為83.7%；增加吸附時(shí)間到10 min時(shí)，中性紅的降解率達(dá)到最佳，降解率為95.9%。繼續(xù)延長吸附時(shí)間到15min、20 min，降解率分別為94.5%、95.0%，可以推測(cè)此時(shí)吸附降解反應(yīng)趨于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。為此，最佳吸附降解時(shí)間為10 min。

2.3 吸附溫度對(duì)吸附的影響

在吸附劑用量為5 mg，將質(zhì)量濃度為50 mg/L的中性紅溶液25 mL加入到圓底燒瓶中，研究了不同吸附溫度(24℃、35℃、50℃)對(duì)中性紅溶液降解的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖 4 吸附溫度對(duì)陽離子染料中性紅降解的影響

從圖4可以看出，吸附溫度在24 ℃時(shí)，ZIF-8對(duì)陽離子染料中性紅降解效果最佳；吸附溫度升高后，中性紅降解率有所下降，這是可能是由于吸附溫度的增加影響了ZIF-8的活性。因此，ZIF-8吸附降解中性紅的最佳溫度為24 ℃。

3 結(jié) 論

本文通過簡單的方法合成了ZIF-8吸附材料，并將其應(yīng)用于陽離子染料中性紅的吸附降解反應(yīng)，對(duì)ZIF-8吸附性能進(jìn)行了初步的探究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ZIF-8的使用量為5 mg、吸附溫度24 ℃、吸附時(shí)間10 min時(shí)，中性紅的降解效果最佳，其降解率為95.9%，而吸附溫度的升高可能影響ZIF-8的吸附性能，從而降低了中性紅吸附效果。同時(shí)，ZIF-8在吸附降解陽離子染料中性紅中表現(xiàn)出較好的效果，可為工業(yè)上染料廢水的處理提供數(shù)據(jù)參考。

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Study on Degradation of Neutral Red by Zeolite Imidazole Ester Framework Material

(Guizhou University, Guiyang Guizhou 550025, China)

The zeolite imidazole ester framework material (ZIF-8) was synthesized in water, and the prepared ZIF-8 was applied to adsorption and degradation of cationic neutral red. Influencing factors including the reaction temperature, the reaction time, the dosage of the ZIF-8 catalyst were investigated. The results showed that, under the optimal condition of the reaction temperature 24℃, the catalyst at dosage 5 mg and the reaction time 10 min, the degradation rate of neutral red was 95.9%.

ZIF-8; Neutral red; Adsorption; Degradation

2020-10-09

蔡杰(1972-），男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師, 研究方向：有機(jī)化學(xué)、現(xiàn)代分析技術(shù)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。

O643.36

A

1004-0935（2020）12-1486-03