金属—有机骨架材料——MOF-5和MIL-101的合成及其对VOCs的吸附/脱附性能

论文摘要

VOCs污染已成为环境污染的主要源头之一,它极大地破坏着生态环境,严重地威胁人类健康和影响社会的可持续发展,有效地治理VOCs的环境污染已迫在眉睫。吸附技术被认为是一种极具发展潜力的VOCs治理技术,新型的多孔吸附材料是吸附技术的核心,研制对VOCs具有高效吸附性能的新型多孔材料成为技术的关键。本文主要探索合成MOF-5和MIL-101材料并测定其吸附VOCs的性能,论文工作主要涉及MOF-5和MIL-101材料的合成及表面性质的表征,测定苯和甲苯在MOF-5和MIL-101材料上的吸附等温线和吸附动力学曲线,估算甲苯在MIL-101材料上的吸附/脱附活化能,属于环境工程、化学工程和材料工程领域,具有重要的研究意义和实际应用背景。本文研究了合成条件对MOF-5晶体比表面积和孔隙结构等性能的影响。研究结果表明:以DMF为溶剂,将Zn2+/H2BDC摩尔比为3的合成液中置于130℃下油浴反应4小时后经过一定的纯化和活化处理,可成功得到小颗粒（20-60μm）、较高比表面积（SLangmuir =1022m2/g）和较大孔容（0.45 cm/g）的MOF-5晶体。本文研究了合成条件对MIL-101晶体比表面积和孔隙结构等性能的影响。研究结果表明:Cr3+、对苯二甲酸、氢氟酸和水以一定配比在210℃微波辐射反应1小时,并经过一定的纯化和活化处理,可得到高质量、高纯度的纳米级（40-90 nm）微小颗粒、大比表面积（SLangmuir =4443m2/g）和大孔容（1.89 cm3/g）MIL-101晶体。本文测定了苯和甲苯在MOF-5和MIL-101上的吸附等温线和甲苯在MIL-101上的吸附动力学曲线,估算了甲苯在MIL-101上的扩散系数和吸附活化能。结果表明:当T =时,苯和甲苯在MIL-101上的平衡吸附量分别为16.3 mmol/g和11.0 mmol/g,MIL-101晶体颗粒对苯和甲苯均有高效快速的吸附容量;甲苯在MIL-101上的吸附活化能为10.9 kJ/mol,大大低于其在活性炭上的吸附活化能。本文测定了甲苯在MIL-101上的程序升温脱附曲线,估算了甲苯在MIL-101材料上的脱附活化能,结果表明:甲苯在MIL-101上的脱附活化能为28.0 kJ/mol,大大低于其在其他吸附剂上的脱附活化能。以上结果表明,与传统吸附材料相比,MIL-101材料不仅对甲苯有很高的吸附容量和吸附速率,而且又能使甲苯较容易脱附,是一种很有前景的吸附VOCs材料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 VOCs 的来源及危害
• 1.1.1 VOCs 的种类及来源
• 1.1.2 VOCs 的危害
• 1.1.2.1 VOCs 对环境的危害
• 1.1.2.2 VOCs 对人类健康的危害
• 1.2 VOCs 的治理技术
• 1.2.1 VOCs 的销毁技术
• 1.2.1.1 生物降解技术
• 1.2.1.2 燃烧技术
• 1.2.1.3 光催化降解技术
• 1.2.1.4 等离子体技术
• 1.2.2 VOCs 的回收技术
• 1.2.2.1 冷凝技术
• 1.2.2.2 吸收技术
• 1.2.2.3 膜分离技术
• 1.2.2.4 吸附技术
• 1.3 金属-有机骨架（MOFs）材料
• 1.3.1 MOFs 材料的简介
• 1.3.2 MOFs 材料的特性
• 1.3.2.1 孔径可调和大比表面积
• 1.3.2.2 骨架结构的多样性
• 1.3.2.3 具有不饱和的金属配位位
• 1.3.2.4 表面可修饰
• 1.3.3 MOFs 的合成及其在吸附分离领域的应用
• 1.3.3.1 MOFs 的合成方法
• 1.3.3.2 MOFs 晶体合成的影响因素
• 1.3.3 MOFs 材料在吸附分离中的应用
• 1.4 本课题的研究意义和需解决的主要问题
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 需解决的主要问题
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第二章 MOF-5 的合成与表征
• 引言
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 原料与试剂
• 2.1.2 仪器与设备
• 2.1.3 MOF-5 晶体的合成
• 2.1.4 MOF-5 晶体的表征
• 2.1.4.1 比表面积和孔隙结构分析
• 2.1.4.2 X 射线粉末衍射（PXRD）分析
• 2.1.4.3 扫描电子显微镜（SEM）分析
• 2.2 实验结果与讨论
• 3）₂与H₂BDC 的配比对MOF-5 晶体的表面和孔隙结构的影响'>2.2.1 Zn（NO₃）₂与H₂BDC 的配比对MOF-5 晶体的表面和孔隙结构的影响
• 2.2.2 纯化方法对MOF-5 晶体的表面和孔隙结构的影响
• 2.2.3 活化温度对MOF-5 晶体的表面和孔隙结构的影响
• 2.2.4 MOF-5-160C 晶体的表征
• 2.2.4.1 MOF-5-160C 的比表面和孔隙结构分析
• 2.2.4.2 MOF-5-160C 的 X 射线粉末衍射（PXRD）分析
• 2.2.4.3 MOF-5-160C 的扫描电子显微镜（SEM）分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 MIL-101 的合成与表征
• 引言
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 原料与试剂
• 3.1.2 仪器与设备
• 3.1.3 MIL-101 晶体的合成
• 3.1.4 MIL-101 晶体的表征
• 3.1.4.1 比表面积和孔隙结构分析
• 3.1.4.2 X 射线粉末衍射（PXRD）分析
• 3.1.4.3 扫描电子显微镜（SEM）分析
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 微波辐射温度对MIL-101 晶体合成的影响
• 3.2.1.1 微波辐射温度对MIL-101 结晶状态的影响
• 3.2.1.2 微波辐射温度对MIL-101 物相构成的影响
• 3.2.1.3 微波辐射温度对MIL-101 比表面积和孔隙结构的影响
• 3.2.2 纯化方法对MIL-101 晶体比表面和孔隙结构的影响
• 3.2.3 纯化方法对MIL-101 晶体物相构成的影响
• 3.2.4 MIL-101 晶体的扫描电子显微镜（SEM）分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 MOF-5 和MIL-101 对苯和甲苯的吸附性能
• 引言
• 4.1 吸附动力学理论
• 4.1.1 微孔扩散动力学模型与参数估算
• 4.1.2 吸附活化能参数的估算
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原料与试剂
• 4.2.2 仪器与设备
• 4.2.3 苯和甲苯在MOFs 上吸附性能测定
• 4.2.3.1 苯和甲苯在 MOFs 上的吸附等温线测定
• 4.2.3.2 甲苯在MIL-101 上的吸附动力学测定
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 苯和甲苯在MOF-5 和MIL-101 上的吸附等温线
• 4.3.1.1 苯在MOF-5 和MIL-101 上的吸附等温线
• 4.3.1.2 苯和甲苯在MIL-101 上的吸附等温线
• 4.3.2 甲苯在MIL-101 上吸附动力学的测定
• 4.3.3 甲苯在MIL-101 上的吸附活化能
• 4.4 本章小结
• 第五章 甲苯在MIL-101 上的脱附活化能
• 引言
• 5.1 TPD 模型及其推导
• 5.1.1 程序升温脱附（TPD）理论简介
• 5.1.2 程序升温脱附活化能估算模型
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 原料与试剂
• 5.2.2 仪器与设备
• 5.2.3 TPD 实验方法
• 5.2.3.1 甲苯在MIL-101 上的吸附平衡
• 5.2.3.2 TPD 实验步骤
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢