沸石咪唑酯骨架材料降解中性红的研究

蔡 杰

沸石咪唑酯骨架材料降解中性红的研究

蔡 杰

（贵州大学，贵州 贵阳 550025）

以水为溶剂，合成了沸石咪唑酯骨架材料ZIF-8，并将其应用于阳离子染料中性红的吸附降解，考察了温度、时间、ZIF-8使用量等因素对降解反应的影响。结果表明：在ZIF-8的使用量为5 mg、吸附温度24 ℃、吸附时间10 min时，中性红的降解率达95.9%。

ZIF-8；中性红；吸附；降解

当前，世界经济及现代工业得到了高速发展，而企业缺乏有效的管理措施，致使工业废水大量排放，生态环境遭到严重的破坏，人类的生存和发展受到了威胁[1-2]。近年来，大量的地表水和地下水受到重金属和阳离子染料废水的污染，使得我国的水资源日益匮乏。其中，阳离子染料的生产过程及染色过程所排放出的废水是我国水资源污染源之 一[3]。在此背景下，探索有效的废水处理方法和开发环保高效的吸附材料是近年来研究的热点方向。

目前，处理工业废水的方法主要有生化法、絮凝法、吸附法、膜分离法等，但膜分离法、生化法及絮凝法存在成本高、能耗大、处理工序复杂等缺点[4]，而吸附法则因具有吸附降解效果好、操作简便、成本低廉等优点，常被用于工业染料废水的处理[5-8]。使用吸附法处理工业染料废水时须要加入吸附剂，常用的吸附剂主要有炭类吸附剂、有机吸附剂、天然吸附剂、矿物吸附剂等，但这些吸附剂具有制备工艺复杂、成本较高等不足[9]。因此，研究合成具有特定结构的吸附剂更能适用于吸附降解工业染料废水。多孔金属有机框架化合物（MOFs）又被称为多孔配位聚合物，因具有可调控的结构和孔道、大的比表面积、良好的化学和热稳定性，在吸附催化领域有着广泛的应用前景[10-12]。

沸石咪唑酯骨架（ZIFs）材料是MOFs材料中的一类，其中，ZIF-8是最具有代表的一种，它的比表面积可达1 400 m2·g-1，热稳定达420 ℃[13-14]。为此，本文以六水合硝酸锌、三乙胺、2-甲基咪唑为原料，水为溶剂，采用较为简单的方法制备了ZIF-8吸附材料，并应用于阳离子染料中性红吸附降解，探讨了ZIF-8使用量、吸附时间、吸附温度对中性红降解的影响，研究结果可为工业上染料废水的处理提供有价值的信息。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

六水合硝酸锌、三乙胺、2-甲基咪唑、中性红，以上试剂为分析纯。

UV-5200PC紫外可见分光光度计，电热恒温干燥箱，DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器， SHZ-Ⅲ型循环水真空泵，FA1004N电子天平（万分位），电热鼓风干燥箱。

1.2 ZIF-8的制备

称取1.622 g的二甲基咪唑溶于50 mL蒸馏水中，随后加入1 mL三乙胺，搅拌加入溶有0.733 g六水合硝酸锌水溶液50 mL，此时反应体系中产生白色沉淀，室温条件下继续搅拌2 h，抽滤收集白色沉淀，并用水和乙醇洗涤2~3次，60 ℃干燥12 h得到ZIF-8材料。

1.3 中性红标准溶液的配置及测定

称取0.25 g中性红溶解于蒸馏水中，将配好的中性红溶液转移到500 mL的容量瓶中，并定容，配置成质量浓度为50 mg·L-1，最后将配好的中性红溶液分别稀释至质量浓度为40、30、20、10、5 mg·L-1的标准中性红溶液。用UV-5200PC紫外可见分光光度计在中性红的最大吸收波长下测定吸光度；根据吸光度数值得到标准曲线，如图1所示。

1.4 ZIF-8对中性红的吸附实验

量取质量浓度为50 mg·L-1的中性红溶液25 mL放入50 mL的圆底烧瓶中，随后加入一定量的ZIF-8吸附材料，磁力搅拌下吸附降解一段时间后，将反应混合物过滤，吸取上清液用UV-5200PC紫外可见分光光度计测定其吸光度，并依据标准曲线计算其质量浓度，根据吸附前中性红质量浓度与吸附后中性红质量浓度得到其吸附率。

图1 阳离子染料中性红的标准曲线

2 结果与讨论

2.1 ZIF-8使用量对中性红降解的影响

在吸附时间为30 min、吸附温度为24 ℃下，将质量浓度为50 mg·L-1的中性红溶液25 mL加入到圆底烧瓶中，探究ZIF-8使用量对中性红溶液降解的影响，结果如图2所示。

图2 吸附剂用量对阳离子染料中性红降解的影响

由图2可以看出，随着ZIF-8使用量的增加，阳离子染料中性红的降解率也随之增加，这是由于ZIF-8使用量增多时，吸附的表面积也相应增大，吸附效果得到改善[15]。当ZIF-8的用量从1 mg增加到5 mg时，中性红的降解率由90.7%增加到95.0%。继续增加ZIF-8的使用量，吸附处于动态平衡，且降解率略有下降，当ZIF-8的使用量为8 mg时，中性红的降解率为94.0%。因此，本实验选择ZIF-8的最佳使用量为5 mg。

2.2 吸附时间对中性红降解的影响

在吸附温度为24 ℃、ZIF-8使用量为5 mg下，将质量浓度为50 mg·L-1的中性红溶液25 mL加入到圆底烧瓶中，研究吸附时间对中性红溶液降解的影响，结果如图3所示。

图 3 吸附时间对阳离子染料中性红降解的影响

由图3可知，但吸附时间为2 min时，中性红降解率较低，为83.7%；增加吸附时间到10 min时，中性红的降解率达到最佳，降解率为95.9%。继续延长吸附时间到15min、20 min，降解率分别为94.5%、95.0%，可以推测此时吸附降解反应趋于一个动态平衡。为此，最佳吸附降解时间为10 min。

2.3 吸附温度对吸附的影响

在吸附剂用量为5 mg，将质量浓度为50 mg/L的中性红溶液25 mL加入到圆底烧瓶中，研究了不同吸附温度(24℃、35℃、50℃)对中性红溶液降解的影响，实验结果见图4。

图 4 吸附温度对阳离子染料中性红降解的影响

从图4可以看出，吸附温度在24 ℃时，ZIF-8对阳离子染料中性红降解效果最佳；吸附温度升高后，中性红降解率有所下降，这是可能是由于吸附温度的增加影响了ZIF-8的活性。因此，ZIF-8吸附降解中性红的最佳温度为24 ℃。

3 结 论

本文通过简单的方法合成了ZIF-8吸附材料，并将其应用于阳离子染料中性红的吸附降解反应，对ZIF-8吸附性能进行了初步的探究。实验结果表明，ZIF-8的使用量为5 mg、吸附温度24 ℃、吸附时间10 min时，中性红的降解效果最佳，其降解率为95.9%，而吸附温度的升高可能影响ZIF-8的吸附性能，从而降低了中性红吸附效果。同时，ZIF-8在吸附降解阳离子染料中性红中表现出较好的效果，可为工业上染料废水的处理提供数据参考。

[1] 谢东华. 铁、锆、铝基金属有机框架材料的制备及其对水体污染物的去除和检测研究[D]. 合肥：中国科学技术大学, 2019.

[2] AMBASHTA R D, SILLANPAA M. Water purification using magnetic assistance: A review [J]., 2010, 180: 38-49.

[3] 蔡杰, 卢兰兰. 海藻酸镍复合物对吖啶橙吸附性能的研究[J]. 辽宁化工，2018，47（3）：197-198.

[4] 高冠道，张爱勇，张萌，等. 新型仿生光催化剂HMS-FePcS 催化降解孔雀绿的反应因素及动力学[J]. 催化学报，2008，29（4）：397-402.

[5] YANG G H, ZHANG D Q, ZHU G, et al. A Sm-MOF/GO nanocomposite membrane for efficient organic dye removal from wastewater [J]., 2020, 10: 8540-8547.

[6]HOU N, WANG R, WANG F, et al. Fabrication of hydrogels via host-guest polymers as highly efficient organic dye adsorbents for wastewater treatment [J]., 2020, 5(10): 5470-5479.

[7]郭志群，李胜方，谢雍第，等. 废弃板栗壳粉对水中阳离子染料的吸附行为[J]. 湖北理工学院学报，2017，33（5）：35-39.

[8]郑国围，魏方方，杨万文，等. 海藻酸钙复合物凝胶对水中铅和汞重金属离子的吸附性能研究[J]. 轻工科技，2017（7）：90-91.

[9]刘佩莹，葛圆圆，李志礼，等. 地质聚合物微球的制备及其对染料的吸附[J]. 精细化工，2020，37（8）: 1694-1702.

[10] FUJIE K, YAMADA T, IKEDA R, et al. Introduction of an ionic liquid into the micropores of a metal-organic framework and its anomalous phase behavior[J].2014, 126(42): 11484-11487.

[11] JRAD A, TARBOUSH ABU B J, HMADEH M, et al. Tuning acidity in zirconium-based metal organic frameworks catalysts for enhanced production of butyl butyrate [J]., 2019, 570:31-41.

[12] 张骥驰. 功能化MIL-101金属有机框架材料的制备及其铀吸附性能研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2019.

[13] 邢甜甜. 微纳米孔性配位聚合物的制备及性质[D]. 南京：东南大学，2015.

[14] 刘明明，吕文苗，史秀锋，等. 不同方法合成的沸石咪唑酯骨架结构材料（ZIF-8）的表征和催化性能[J]. 无机化学学报，2014，30（3）: 579-584.

[15] 孙影芝. 稻壳吸附剂去除水体中的离子型染料及其吸附机理研究[D]. 芜湖：安徽师范大学，2005.

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，高级实验师, 研究方向：有机化学、现代分析技术、创新创业教育。

O643.36

A

1004-0935（2020）12-1486-03