[0039] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,但本发明所要保护的范围并不限于此。
[0040] 实施例中所使用的六水合硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)、四水合氯化亚铁(FeCl2·4H2O)、对苯二甲酸(C8H6O4)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、氢氟酸(HF)、过硫酸盐、乙醇等都是分析纯,亚甲基蓝为色谱纯,所用水均为去离子水;
[0041] 本发明考虑到染料广泛应用于医药、食品、印染和化妆品制造等行业。目前,世界上的染料有2000多个品种,而涉及可还原出致癌芳香胺的染料品种约为210种,而且年产量高达200多万吨,其中约70%的合成染料是以偶氮为基础。染料生产投入的原料包含大量的芳烃化合物和杂环化合物,而且染料生产过程中副反应多,产品收率低,导致所排放的废水中含有大量的有机污染物。废水中难降解的多环芳烃类染料的危害更大,这些物质含有多个苯环,分子量大,且带有难以生化降解的-Cl、-NH3、-NO2、-H2SO3等基团。这些难降解的有机物不仅因其性质稳定使用传统的方法治理效果不明显,而且一般具有致癌性和致畸性,可以在自然界中长期存在也可能通过食物链进入人体,危害人体健康。因此,本发明选择使用较为广泛的偶氮染料亚甲基蓝(MB)作为污染物的代表,研究MB的脱色降解在一定程度上可以代表难生化有机废水的降解。因此下面实施例中的有机废水选用MB溶液。
[0042] 采用本发明的方法对含亚甲基蓝(MB)的有机废水进行处理。
[0043] 实施例1
[0044] 铁/钴双金属有机骨架材料(铁/钴双金属MOFs)的制备
[0045] (1)前驱体溶液的制备:将1.746g(6mM)Co(NO3)2·6H2O、1.194g FeCl2·4H2O(6mM)和1.994g(12mM)对苯二甲酸(BDC)溶解于60mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,然后再加入2.4mL氢氟酸(HF),将上述混合液搅拌至完全溶解,得到前驱体溶液;
[0046] (2)铁/钴双金属MOFs的制备:将步骤(1)制得的前驱体溶液转移至100mL聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,将反应釜放入程控烘箱中,150℃溶剂热反应24h;冷却,自然降温至室温,真空泵过滤后用无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和去离子水反复洗涤得到红褐色沉淀物;将沉淀物放入100℃的真空干燥箱中干燥12h得到红褐色固体粉末,即为铁/钴双金属MOFs。
[0047] 其中,图1是本实施例中铁/钴双金属MOFs放大倍数为50万倍扫描电镜图,图2是本实施例中铁/钴双金属MOFs放大倍数为200万倍扫描电镜图,图3是本实施例中铁/钴双金属MOFs的X射线晶体衍射图,图4是本实施例中铁/钴双金属MOFs红外光谱图。从图1~4可以看出本发明确实制备得到了铁/钴双金属有机骨架材料(铁/钴双金属MOFs),其形态为规则的多面体晶体,晶体含有大量的微孔,且通过ICP-MS检测结果表明该制备方法所得材料中钴元素与铁元素摩尔比接近1:1,表明成功制备铁/钴双金属有机骨架材料。
[0048] 实施例2
[0049] 铁/钴双金属有机骨架材料(铁/钴双金属MOFs)的制备
[0050] (1)前驱体溶液的制备:将2.095g(7.2mM)Co(NO3)2·6H2O、0.954g(4.8mM)FeCl2·4H2O和1.994g(12mM)对苯二甲酸(BDC)溶解于60mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,然后再加入2.4mL氢氟酸(HF),将上述混合液搅拌至完全溶解,得到前驱体溶液;
[0051] (2)铁/钴双金属MOFs的制备:将步骤(1)制得的前驱体溶液转移至100mL聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,将反应釜放入程控烘箱中,150℃水热反应24h;冷却,自然降温至室温,真空泵过滤后用无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和去离子水反复洗涤得到红褐色沉淀物;将沉淀物放入100℃的真空干燥箱中干燥12h得到红褐色固体粉末,即为铁/钴双金属MOFs。
[0052] 图5是本实施例中铁/钴双金属MOFs放大倍数为200万倍扫描电镜图。图6是本实施例中铁/钴双金属MOFs放大倍数为2000万倍扫描电镜图。图7是本实施例中铁/钴双金属MOFs放大倍数为5000万倍扫描电镜图。从图5~7可以看出该铁/钴双金属有机骨架材料(铁/钴双金属MOFs)是通过层层生长形成的具有片状晶体叠加结构的多面体晶体材料。由图6可以看出该晶体材料具有规则的多孔结构。和实施例1方法制备的铁/钴双金属MOFs相比,该方法制备的铁/钴双金属MOFs在形貌上有一定的区别,说明改变两种金属的摩尔比对铁/钴双金属MOFs的形貌产生影响。
[0053] 实施例3
[0054] 铁/钴双金属有机骨架材料(铁/钴双金属MOFs)的制备
[0055] (1)前驱体溶液的制备:将1.946g(6mM)Co(NO3)2·6H2O、1.194g FeCl2·4H2O(6mM)和1.329g(8mM)对苯二甲酸(BDC)溶解于60mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,然后再加入2.4mL氢氟酸(HF),将上述混合液搅拌至完全溶解,得到前驱体溶液;
[0056] (2)铁/钴双金属MOFs的制备:将步骤(1)制得的前驱体溶液转移至100mL聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,将反应釜放入程控烘箱中,150℃水热反应24h;冷却,自然降温至室温,真空泵过滤后用无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和去离子水反复洗涤得到红褐色沉淀物;将沉淀物放入100℃的真空干燥箱中干燥12h得到红褐色固体粉末,即为铁/钴双金属MOFs。
[0057] 实施例4
[0058] 加入铁/钴双金属MOFs过一硫酸氢钠、铁/钴双金属MOFs或过一硫酸氢钠的条件下MB的去除率
[0059] (1)采用锥形瓶作为反应器,废水反应体积为100mL,废水含亚甲基蓝的初始浓度为0.2mM,pH为6.1;设置三个处理组:其中,处理组1同时往反应瓶中加入铁/钴双金属MOFs(实施例1方法制备所得)和过一硫酸氢钠(终浓度分别为30mg/L和1mM),处理组2同时往反应瓶中加入铁/钴双金属MOFs(实施例1方法制备所得)和过二硫酸钠(终浓度分别为30mg/L和1mM),处理组3单独加入铁/钴双金属MOFs(终浓度为30mg/L),不需加入过一硫酸氢钠或过硫酸钠;处理组4单独加入过一硫酸氢钠(终浓度为1mM),不需加入铁/钴双金属MOFs;将上述三个处理组反应瓶置于震荡床中,在转速为100rpm,温度为25℃的条件下进行反应并定时检测反应体系中的MB含量,计算MB去除率;不同处理组MB去除率的比较结果见表1。
[0060] 表1
[0061]
[0062]
[0063] 表1结果表明,单独铁/钴双金属MOFs未能对MB进行有效去除,说明该铁/钴双金属MOFs对MB没有吸附能力。单独过一硫酸氢钠对MB具有一定的脱色能力,但经过铁/钴双金属MOFs的催化作用,过一硫酸氢钠对MB的处理效果显著提高,反应20min后,MB的去除率达到100%。此外,虽然相对于过一硫酸氢钠,铁/钴双金属MOFs对过二硫酸钠的催化活性降低,但是在相同的处理时间下MB的脱色降解率依然可以达到100%,说明本发明能够快速有效地处理难生化废水。
[0064] 实施例5
[0065] 不同铁/钴摩尔比条件下制备的双金属MOFs活化过一硫酸氢钠处理MB的去除率[0066] (1)将摩尔和为12mM的Co(NO3)2·6H2O和1.194g FeCl2·4H2O与1.994g(12mM)对苯二甲酸(BDC)溶解于60mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,然后再加入2.4mL氢氟酸(HF),将上述混合液搅拌至完全溶解,得到前驱体溶液;然后将将前驱体溶液转移至100mL聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,将反应釜放入程控烘箱中,150℃水热反应24h;自然降温至室温,真空泵过滤后用无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和去离子水反复洗涤得到红褐色沉淀物;将沉淀物放入100℃的真空干燥箱中干燥12h得到红褐色固体粉末,即为铁/钴双金属MOFs。
[0067] (2)采用锥形瓶作为反应器,废水反应体积为100mL,废水含MB的初始浓度为0.2mM;设置四个处理组:其中,反应开始前往反应瓶中加入过一硫酸氢钠使其浓度为1mM,然后向反应瓶中投加由(1)方法调整铁/钴摩尔比为1:4(处理组1)、铁/钴摩尔比为2:3(处理组2)、铁/钴摩尔比为1:1(处理组3)、铁/钴摩尔比为3:2(处理组4)和铁/钴摩尔比为4:1(处理组5)制备所得的双金属MOFs,使其反应浓度为30mg/L,最后将反应瓶置于震荡床中,在转速为100rpm,温度为25℃的条件下进行反应并定时检测反应体系中的MB含量,计算MB去除率;不同铁/钴摩尔比条件下制备的双金属MOFs活化过一硫酸氢钠降解MB的结果见表
2。
[0068] 表2
[0069]
[0070] 表2结果表明,铁/钴双金属MOFs中铁钴双金属的摩尔比对活化过一硫酸氢钠的催化活性具有很大的影响。除了摩尔比为1:1外,铁/钴双金属MOFs的催化活性随着铁含量的增加而显著降低。但是由于催化过一硫酸氢钠产生的自由基之间存在淬灭反应,所以当铁钴摩尔比小于1:1时材料中过量的钴金属活化过一硫酸氢钠瞬间产生大量的自由基,使得部分自由基之间发生淬灭反应,降低了自由基的使用效率导致MB的脱色降解速度反而降低,但是最终在反应20min结束后均能使MB完全脱色。而当铁钴摩尔比分别为3:2和4:1时MB在反应20min后的脱色率分别为92.8%和54.6%。这些结果表明该双金属MOFs材料中钴金属对过一硫酸氢钠起主要催化作用。
[0071] 实施例6
[0072] 金属盐与对苯二甲酸不同摩尔比条件下制备的双金属MOFs活化过一硫酸氢钠处理MB的去除率
[0073] (1)将1.946g(6mM)Co(NO3)2·6H2O、1.194g FeCl2·4H2O(6mM)分别和2.658g(18mM)、1.994g(12mM)、1.329g(8mM)对苯二甲酸(BDC)溶解于60mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,然后再加入2.4mL氢氟酸(HF),将上述混合液搅拌至完全溶解,得到前驱体溶液;然后将将前驱体溶液转移至100mL聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,将反应釜放入程控烘箱中,150℃水热反应24h;自然降温至室温,真空泵过滤后用无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和去离子水反复洗涤得到红褐色沉淀物;将沉淀物放入100℃的真空干燥箱中干燥
12h得到红褐色固体粉末,即为铁/钴双金属MOFs。
[0074] (2)采用锥形瓶作为反应器,废水反应体积为100mL,废水含MB的初始浓度为0.2mM;设置三个处理组:其中,反应开始前往反应瓶中加入过一硫酸氢钠使其浓度为1mM,然后向反应瓶中投加由(1)方法中铁钴金属盐与对苯二甲酸摩尔比为2:3(处理组1)、铁钴金属盐与对苯二甲酸摩尔比为1:1(处理组2)和铁钴金属盐与对苯二甲酸摩尔比为3:2(处理组3)的双金属MOFs,使其反应浓度为30mg/L,最后将反应瓶置于震荡床中,在转速为
100rpm,温度为25℃的条件下进行反应并定时检测反应体系中的MB含量,计算MB去除率;金属盐与对苯二甲酸不同摩尔比条件下制备的双金属MOFs活化过一硫酸氢钠降解MB的结果见表3。
[0075] 表3
[0076]
[0077] 表3结果表明,不同金属盐和有机配体对苯二甲酸的摩尔比制备得到的铁/钴双金属MOFs对活化过一硫酸氢钠的催化活性产生一定的影响。二价金属盐与对苯二甲酸的配位化学计量为1:1,虽然研究表明当金属离子比例高于化学计量比时,金属盐会以不饱和金属活性中心存在,有利于促进催化反应进行。然而本双金属铁钴材料中金属盐与有机配体的摩尔比高于或低于化学计量都不利于其对过一硫酸氢钠的催化活性,反而是等于化学计量比时的催化活性最高,使MB在反应2min内的脱色率达到62.8%,并且在反应20min内脱色完全。
[0078] 实施例7
[0079] 不同温度条件下制备的双金属MOFs活化过一硫酸氢钠处理MB的去除率[0080] (1)将1.946g(6mM)Co(NO3)2·6H2O、1.194g FeCl2·4H2O(6mM)和1.994g(12mM)、对苯二甲酸(BDC)溶解于60mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,然后再加入2.4mL氢氟酸(HF),将上述混合液搅拌至完全溶解,得到前驱体溶液;然后将将前驱体溶液转移至100mL聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,将反应釜放入程控烘箱中,分别110、130、150和170℃水热反应24h;自然降温至室温,真空泵过滤后用无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和去离子水反复洗涤得到红褐色沉淀物;将沉淀物放入100℃的真空干燥箱中干燥12h得到红褐色固体粉末,即为铁/钴双金属MOFs。
[0081] (2)采用锥形瓶作为反应器,废水反应体积为100mL,废水含MB的初始浓度为0.2mM;设置四个处理组:其中,反应开始前往反应瓶中加入过一硫酸氢钠使其浓度为1mM,然后向反应瓶中投加由(1)方法110℃(处理组1)、130℃(处理组2)、150℃(处理组3)和170℃(处理组4)制备的双金属MOFs,使其反应浓度为30mg/L,最后将反应瓶置于震荡床中,在转速为100rpm,温度为25℃的条件下进行反应并定时检测反应体系中的MB含量,计算MB去除率;不同温度条件下制备的双金属MOFs活化过一硫酸氢钠降解MB的结果见表4。
[0082] 表4
[0083]
[0084] 表4结果表明,制备温度对铁/钴双金属MOFs催化剂活化过一硫酸氢钠降解MB有一定的影响,在110~150℃范围内随着制备温度的增加,MB的降解率增加。但是当制备温度达到150℃时铁/钴双金属MOFs催化剂的活性达到最优,使MB在反应6min内达到90%的脱色率,而且在这些温度范围内在制备的铁/钴双金属MOFs都具有较高的催化活性,使MB在20min内100%脱色。
[0085] 实施例8
[0086] 铁/钴双金属MOFs活化过一硫酸氢钠在不同温度下MB的去除率
[0087] 采用锥形瓶作为反应器,废水反应体积为100mL,废水含MB的初始浓度为0.2mM;设置四个处理组:其中,反应开始前往反应瓶中加入过一硫酸氢钠使其浓度为1mM,然后向反应瓶中投加铁/钴双金属MOFs(实施例1方法制备所得)使其反应浓度为30mg/L,并将反应瓶置于水浴震荡床中,在转速为100rpm条件下进行反应,并将水浴震荡温度分别设置为25℃(处理组1)、35℃(处理组2)、45℃(处理组3)和60℃(处理组4),并定时检测反应体系中的MB含量,计算MB去除率;温度对铁/钴双金属MOFs活化过一硫酸氢钠降解MB的影响结果见表5。
[0088] 表5
[0089]
[0090] 表5结果表明,铁/钴双金属MOFs活化过一硫酸氢钠氧化方法在常温下就对MB具有非常好的降解效果,反应20min后MB被100%氧化脱色。同时随着温度的升高MB的降解速度加快,说明温度的提升可以缩短MB的降解处理时间。
[0091] 实施例9
[0092] 铁/钴双金属MOFs不同投加量对MB去除率的影响
[0093] 采用锥形瓶作为反应器,废水反应体积为100mL,废水含MB的初始浓度为0.2mM,pH为6.1,反应开始前往反应瓶中加入过一硫酸氢钠使其浓度为1mM,设置四个处理组:其中,向反应瓶中投加钴金属-有机骨架材料(实施例1方法制备所得)使其反应浓度为15mg/L(处理组1)、20mg/L(处理组2)、25mg/L(处理组3)、30mg/L(处理组4)和40mg/L(处理组5),最后将反应瓶置于震荡床中,在转速为100rpm,温度为25℃的条件下进行反应并定时检测反应体系中的MB含量,计算MB去除率;铁/钴双金属MOFs的浓度对活化过一硫酸氢钠降解MB的影响结果见表6。
[0094] 表6
[0095]
[0096] 表6结果表明,铁/钴双金属MOFs催化剂浓度对活化过一硫酸氢钠降解MB有一定的影响,随着其浓度的增加,MB的降解率增加。铁/钴双金属MOFs催化剂浓度为20mg/L时反应30min内就可以100%降解MB,说明铁/钴双金属MOFs催化剂活性高,用量少。因此在难生化处理的有机废水中具有广阔的应用前景。
[0097] 上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。