应用化学   2016, Vol. 33 Issue (9): 1040-1046   PDF    
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  • Received: 2016-05-20
  • Revised: 2016-06-24
  • Accepted: 2016-06-27
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    杨成雄
    王士伟
    严秀平
    金属-有机骨架对苯二甲酸酯-铝吸附水中酚类化合物动力学和热力学
    杨成雄, 王士伟, 严秀平     
    南开大学化学学院, 分析科学研究中心 天津 300071
    摘要: 以吸附等温线、动力学和热力学等方法研究了金属-有机骨架对苯二甲酸酯-铝[MIL-53(Al),MIL:Materials of Institut Lavoisier]对水中邻硝基苯酚、苯酚和邻苯二酚的吸附行为。MIL-53(Al)对上述酚类化合物的吸附符合准二级吸附动力学模型,且包含表面吸附和孔内扩散两个过程。吸附热力学结果表明,MIL-53(Al)对酚类化合物的吸附是自发的,且为吸热和熵增加过程。在40℃条件下,MIL-53(Al)对邻硝基苯酚、苯酚和邻苯二酚的吸附量分别为78.6、30.5和16.5 mg/g。
    关键词: 金属-有机骨架     吸附     酚类化合物     对苯二甲酸酯-铝    
    Adsorption Thermodynamics and Kinetics of Phenols on Metal-Organic Framework Aluminum Terephthalate in Water
    YANG Chengxiong, WANG Shiwei, YAN Xiuping     
    Research Center for Analytical Sciences, College of Chemistry, Nankai University, Tianjin 300071, China
    Abstract: Adsorption of phenols such as o-nitrophenol, phenol, and catechol on metal-organic framework aluminum terephthalate[MIL-53(Al), MIL:Materials of Institut Lavoisier] was investigated in detail in terms of adsorption isotherms, thermodynamics, and kinetics. The adsorption of the phenols on MIL-53(Al) follows a pseudo-second order kinetic model. Intraparticle diffusion model analysis reveals that the adsorption of the phenols on MIL-53(Al) proceeds by two phases, surface sorption and intraparticle/pore diffusion. The adsorption of phenols fits well with the Freundlich model. In addition, the results indicate that the adsorption of the phenols on MIL-53(Al) is a thermodynamically spontaneous process with positive enthalpy change and positive entropy change. The adsorption capacities for o-nitrophenol, phenol, and catechol at 40℃ are 78.6, 30.5, and 16.5 mg/g, respectively.
    Key words: metal-organic framework     adsorption     phenols     aluminum terephthalate    

    酚类化合物是一类具有中等毒性的含羟基芳香衍生物,在工业生产中有着广泛的应用。 含酚废水是化学工业的主要废水之一,不仅具有直接毒性,而且还具有致癌、致畸和致突变的潜在毒性,对环境和人类的安全构成严重威胁。 由酚类化合物造成的环境污染已经引起人们的高度重视,世界各国纷纷把酚类化合物列为优控有毒有机污染物之一。 用于含酚废水的处理方法有氧化法、焚烧法、浓缩法、反渗透法、吸附法、混凝沉淀法以及稀释生化法等[1-2]。 吸附法是深度处理水中酚类化合物的重要方法之一,因此开发用于吸附和去除酚类化合物的新颖吸附剂具有重要意义。 目前,人们已经研究了活性碳、树脂、沸石等多孔吸附剂用于去除酚类化合物[3-5]

    金属-有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)是近年来涌现的一类以金属离子或金属簇为配位中心,与含氧或氮的有机配体通过配位作用形成的新型多孔配位聚合物[6-9]。 MOFs具有合成方法灵活、比表面积大、种类和性质多样和孔尺寸可调等诸多优点,目前在诸多领域得到了广泛应用[10-16]。 MOFs特殊的结构和性质使得它在吸附和去除污染物方面也表现出了良好的应用潜力[17-24]

    对苯二甲酸酯-铝[MIL-53(Al),MIL:Materials of Institut Lavoisier]是由硝酸铝和对苯二甲酸在高温水热下生成的具有一维菱形孔道的多孔骨架材料,具有比表面积大、热稳定性和溶剂稳定性好的优点。 此外,MIL-53(Al)含有半有机的孔壁和含羟基的孔道,非常适合用于水中酚类化合物的吸附和去除[25-27]。 本文从吸附等温线、吸附动力学和热力学等方面研究MIL-53(Al)对水中邻硝基苯酚、苯酚和邻苯二酚的吸附行为,考察溶液离子强度和pH值对吸附的影响。

    1 实验部分
    1.1 仪器和试剂

    实验所用试剂均为分析纯,所用高纯水(18.2 MΩ·cm)由WaterPro纯水系统制备。 苯酚、邻硝基苯酚、邻苯二酚、盐酸、氢氧化钠、氯化钠、硝酸铝均购自天津光复精细化工研究所。 对苯二甲酸购自上海晶纯试剂有限公司。 0.1 mol/L的氢氧化钠和盐酸用于调节溶液pH值。 氯化钠用于调节离子强度。

    SS-550型扫描电子显微镜(日本Shimadzu公司);D/max-2500型X射线粉末衍射仪(日本Rigaku公司)和PTC-10A型热重分析仪(日本Rigaku公司)用于表征所合成的MIL-53(Al)。 酚类化合物的检测均在UV-3600型紫外-可见分光光度计(日本Shimadzu公司)上进行。

    1.2 MIL-53(Al)的合成

    参照文献[25]方法,称取1300 mg硝酸铝和288 mg对苯二甲酸于30 mL的反应釜中,加入5 mL超纯水,搅拌均匀后放入220 ℃烘箱反应3 d。 待反应釜冷却至室温,所得白色晶体用超纯水清洗以除去未反应的硝酸铝。 然后将白色晶体置于坩埚中,放入330 ℃马弗炉中老化3 d,除去残留在孔内的对苯二甲酸配体,所得的MIL-53(Al)粉末即可用于吸附实验。

    1.3 吸附动力学

    称取10 mg MIL-53(Al)粉末于10 mL离心管中,加入5 mL浓度为400 mg/L的苯酚、200 mg/L的邻苯二酚或200 mg/L的邻硝基苯酚水溶液,在室温下静置不同时间(0~1400 min),离心分离,在紫外-可见光度计上测定上清液中分析物的浓度,检测波长分别为269、275和278 nm。 根据吸附前后样品浓度的差异计算MIL-53(Al)吸附酚类化合物的吸附量。

    1.4 离子强度的影响

    称取10 mg MIL-53(Al)粉末于10 mL离心管中,加入5 mL含不同离子强度的400 mg/L苯酚、200 mg/L邻苯二酚或200 mg/L邻硝基苯酚水溶液。 在室温下静置24 h,离心分离,在紫外-可见光度计上测定上清液中分析物的浓度。

    1.5 pH值的影响

    称取10 mg MIL-53(Al)粉末于10 mL离心管中,加入5 mL不同pH值的400 mg/L苯酚、200 mg/L邻苯二酚或200 mg/L邻硝基苯酚水溶液。 在室温下静置24 h,离心分离,在紫外-可见光度计上测定上清液中分析物的浓度。

    1.6 吸附热力学

    称取10 mg MIL-53(Al)粉末于10 mL离心管中,加入5 mL不同浓度的苯酚(22.5~300 mg/L)、邻苯二酚(22.5~225 mg/L)或邻硝基苯酚(22.5~225 mg/L)水溶液,在不同温度下(20、30和40 ℃)静置24 h,离心分离,在紫外-可见光度计上测定上清液中分析物的浓度。

    2 结果与讨论
    2.1 MIL-53(Al)表征

    采用X射线粉末衍射(XRD)、热重分析(TGA)、扫描电子显微镜(SEM)和N2吸附实验对所合成的MIL-53(Al)进行表征。 对比模拟和实验所得的XRD谱图表明成功合成了MIL-53(Al)(图 1A)。 所合成的MIL-53(Al)即使在330 ℃下也可以稳定存在(图 1B),其粒径为3~4 μm(图 1C),BET比表面积为904 m2/g。

    图 1 MIL-53(Al)的对比模拟和实验所得的XRD(A)、TGA(B)和SEM(C)表征 Fig. 1 Comparison of the experimental and simulated XRD patterns of MIL-53(Al)(A); TGA curve of the prepared MIL-53(Al)(B); SEM image of the prepared MIL-53(Al)(C)
    2.2 MIL-53(Al)对酚类化合物的吸附动力学

    MIL-53(Al)对邻硝基苯酚、苯酚和邻苯二酚的吸附较快,在4 h内均能达到平衡(图 2A)。 根据式(1)计算MIL-53(Al)吸附3种酚类化合物的动力学级数和吸附速率[28-30]

    $\frac{t}{{{q}_{t}}}=\frac{1}{{{k}_{2}}{{q}^{2}}e}+\frac{1}{{{q}_{e}}}t$ (1)

    式中,qeqt分别是在吸附平衡时间和时间t时的吸附量(mg/g),k2是准二级吸附速率常数(g/(mg·min))。 通过t/qtt作图可得准二级吸附速率曲线(图 2B)。 从表 1可以看出,MIL-53(Al)吸附酚类化合物的准二级吸附速率曲线的线性相关系数R2>0.999,表明MIL-53(Al)对3种酚类化合物的吸附符合准二级吸附动力学模型。

    图 2 MIL-53(Al)吸附酚类化合物的动力学 Fig. 2 Kinetics of the adsorption of the phenols on MIL-53(Al) A.Time-dependent adsorption capacity of the phenols on MIL-53(Al); B.plots of the pseudo-second-order kinetics. The concentration of o-nitrophenol,phenol,and catechol was 200,400 and 200 mg/L,respectively. The error bar shows the standard deviation of triplicate adsorptions

    表 1 MIL-53(Al)吸附酚类化合物的准二级速率常数、平衡吸附量和线性相关系数 Table 1 Pseudo-second-order rate constant(k2),equilibrium adsorption capacity(qe), and correlation coefficient(R2) for the adsorption of phenols on MIL-53(Al)
    ${{q}_{t}}=ki{{t}^{0.5}}+a$ (2)

    通过孔内扩散模型(式(2))对MIL-53(Al)吸附酚类化合物的吸附动力学曲线进行拟合(图 3)。 式中,qt是在时间t时的吸附量(mg/g),ki是孔内扩散常数(mg/(g·min0.5)),a是截距。 结果表明,MIL-53(Al)对酚类化合物的吸附包括表面吸附和孔内扩散两个过程[21-23]

    图 3 MIL-53(Al)吸附酚类化合物的孔内扩散模型曲线 Fig. 3 Intraparticle diffusion plots for the adsorption of phenols on MIL-53(Al)
    2.3 离子强度的影响

    通过向酚类化合物溶液中加入不同浓度NaCl(0~0.3 mol/L),考察离子强度对MIL-53(Al)吸附酚类化合物的影响(图 4)。 当NaCl浓度为0.05 mol/L时,MIL-53(Al)对邻硝基苯酚和邻苯二酚的吸附量达到最大,继续增大NaCl浓度,吸附量有所下降。 当NaCl浓度为0.1 mol/L时,MIL-53(Al)对苯酚的吸附量相对较大,继续增大NaCl浓度其吸附量有一定减小。 因此,在后续的实验中我们选择在邻硝基苯酚和邻苯二酚溶液中加入0.05 mol/L的NaCl,在苯酚溶液中加入0.1 mol/L的NaCl。 整体来看离子强度影响不明显。

    图 4 离子强度对MIL-53(Al)吸附酚类化合物的影响 Fig. 4 Effect of ionic strength on the adsorption of phenols on MIL-53(Al) The concentrations of o-nitrophenol,phenol,and catechol are 200 mg/L,400 mg/L,and 200 mg/L,respectively. The error bar shows the standard deviation of triplicate adsorptions
    2.4 pH值的影响

    溶液pH值会影响吸附剂表面的带电性和目标物的质子化程度,从而影响吸附剂对目标物的吸附效果(图 5)。 当pH<7时,3种酚类化合物的吸附量基本保持不变,继续增大pH值,3种酚类化合物的吸附量都有一定程度的减小。 邻硝基苯酚、苯酚和邻苯二酚的的pKa值分别为7.22、9.95和9.45,当pH<7时(即pH<pKa时),邻硝基苯酚、苯酚和邻苯二酚均以分子形式(未解离形式)存在,在此条件下,3种酚类化合物的吸附量基本保持不变。 当pH>7时(即pH>pKa时),邻硝基苯酚、苯酚和邻苯二酚发生解离,引起吸附量的减小。

    图 5 pH值对MIL-53(Al)吸附酚类化合物的影响 Fig. 5 Effect of pH on the adsorption of phenols on MIL-53(Al) The concentrations of o-nitrophenol,phenol,and catechol are 200,400,and 400 mg/L,respectively. The error bar shows the standard deviation of triplicate adsorptions
    2.5 MIL-53(Al)对酚类化合物的吸附热力学

    MIL-53(Al)吸附酚类化合物的吸附等温线如图 6所示。 MIL-53(Al)对邻硝基苯酚、苯酚、邻苯二酚的平衡吸附量随着初始浓度的增大而增加,说明高浓度有利于MIL-53(Al)对3种酚类化合物的吸附。 另外,MIL-53(Al)对3种酚类化合物的吸附量随着温度的升高而增大,说明高温有利于MIL-53(Al)对3种酚类化合物的吸附,且MIL-53(Al)吸附该3种酚类化合物为吸热过程。 在40 ℃条件下,MIL-53(Al)对邻硝基苯酚、苯酚和邻苯二酚的吸附量分别是78.6、30.5和16.5 mg/g。

    图 6 MIL-53(Al)吸附酚类化合物的吸附等温线 Fig. 6 Adsorption isotherms of o-nitrophenol(A),phenol(C),and catechol(E) on MIL-53(Al),and their Freundlich adsorption isotherms for o-nitrophenol(B),phenol(D),and catechol(F)

    用Freundlich方程对3种酚类化合物在不同温度(20、30和40 ℃)下的吸附等温线进行拟合(图 6表 2),结果表明,MIL-53(Al)对3种酚类化合物的吸附符合Freundlich吸附模型[23]

    ${{q}_{e}}={{K}_{f}}{{\rho }_{e}}^{1/n}$ (3)

    式中,qe(mg/g)为平衡吸附量,Kf为Freundlich常数,1/n为吸附指数,ρe为平衡浓度(mg/L),根据式(3)可得到Kf(mg(1-1n)·L1n/mg)和n值,进一步依据Van′t Hoff方程计算得到MIL-53(Al)对3种酚类化合物的吸附热力学参数如吉布斯自由能变化(ΔG)、吸附焓变(ΔH)和吸附熵变(ΔS)(图 7表 3)。 由表 3可知,MIL-53(Al)吸附3种酚类化合物的ΔG均为负值,说明MIL-53(Al)对3种酚类化合物的吸附均是自发过程。 随着温度的升高,ΔG越负,进一步说明高温有利于MIL-53(Al)对3种酚类化合物的吸附。

    图 7 MIL-53(Al)吸附酚类化合物的Van′t Hoff曲线 Fig. 7 Plots of ln ρe against 1000/T for the adsorption of phenols on MIL-53(Al)

    表 2 MIL-53(Al)吸附酚类化合物的Freundlich相关参数 Table 2 Freundlich parameters for the adsorption of phenols on MIL-53(Al)

    表 3 酚类化合物在MIL-53(Al)上吸附的热力学参数 Table 3 Thermodynamic parameters for the adsorption of the phenols on MIL-53(Al)

    MIL-53(Al)吸附3种酚类化合物的ΔH均为正值,说明MIL-53(Al)吸附这3种酚类化合物均为吸热过程,这与酚类化合物的平衡吸附量随着温度的升高而增大的结果一致。 MIL-53(Al)吸附3种酚类化合物的ΔS均为正值,说明MIL-53(Al)对3种酚类化合物的吸附是熵增加过程。 酚类化合物被吸附到MIL-53(Al)上,其自由度减小,是熵减少的过程。 然而,由于水分子的分子尺寸小于酚类化合物,导致酚类化合物的去溶剂化过程脱附的水分子数量大于被吸附的酚类化合物的分子数,因此,MIL-53(Al)对酚类化合物吸附是熵增加过程[18-19, 21-23]

    3 结 论

    以水热法合成了MIL-53(Al),研究了MIL-53(Al)对邻硝基苯酚、苯酚和邻苯二酚的吸附动力学、热力学和等温线,考察了离子强度、pH值和温度对吸附量的影响。 结果表明,MIL-53(Al)对上述酚类化合物的吸附符合准二级吸附动力学模型,且包含表面吸附和孔内扩散两个过程。 吸附热力学结果表明,MIL-53(Al)对酚类化合物的吸附是自发的,且为吸热和熵增加过程。 在40 ℃条件下,MIL-53(Al)对邻硝基苯酚、苯酚和邻苯二酚的吸附量分别是78.6、30.5和16.5 mg/g。

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