沸石咪唑酯骨架材料降解中性紅的研究

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，貴州 貴陽 550025）

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

ZIF-8；中性紅；吸附；降解

當前，世界經濟及現代工業得到了高速發展，而企業缺乏有效的管理措施，致使工業廢水大量排放，生態環境遭到嚴重的破壞，人類的生存和發展受到了威脅[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環保高效的吸附材料是近年來研究的熱點方向。

目前，處理工業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、處理工序復雜等缺點[4]，而吸附法則因具有吸附降解效果好、操作簡便、成本低廉等優點，常被用于工業染料廢水的處理[5-8]。使用吸附法處理工業染料廢水時須要加入吸附劑，常用的吸附劑主要有炭類吸附劑、有機吸附劑、天然吸附劑、礦物吸附劑等，但這些吸附劑具有制備工藝復雜、成本較高等不足[9]。因此，研究合成具有特定結構的吸附劑更能適用于吸附降解工業染料廢水。多孔金屬有機框架化合物（MOFs）又被稱為多孔配位聚合物，因具有可調控的結構和孔道、大的比表面積、良好的化學和熱穩定性，在吸附催化領域有著廣泛的應用前景[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1 400 m2·g-1，熱穩定達420 ℃[13-14]。為此，本文以六水合硝酸鋅、三乙胺、2-甲基咪唑為原料，水為溶劑，采用較為簡單的方法制備了ZIF-8吸附材料，并應用于陽離子染料中性紅吸附降解，探討了ZIF-8使用量、吸附時間、吸附溫度對中性紅降解的影響，研究結果可為工業上染料廢水的處理提供有價值的信息。

1 實驗部分

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，電熱恒溫干燥箱，DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器， SHZ-Ⅲ型循環水真空泵，FA1004N電子天平（萬分位），電熱鼓風干燥箱。

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，此時反應體系中產生白色沉淀，室溫條件下繼續攪拌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 中性紅標準溶液的配置及測定

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移到500 mL的容量瓶中，并定容，配置成質量濃度為50 mg·L-1，最后將配好的中性紅溶液分別稀釋至質量濃度為40、30、20、10、5 mg·L-1的標準中性紅溶液。用UV-5200PC紫外可見分光光度計在中性紅的最大吸收波長下測定吸光度；根據吸光度數值得到標準曲線，如圖1所示。

1.4 ZIF-8對中性紅的吸附實驗

量取質量濃度為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間后，將反應混合物過濾，吸取上清液用UV-5200PC紫外可見分光光度計測定其吸光度，并依據標準曲線計算其質量濃度，根據吸附前中性紅質量濃度與吸附后中性紅質量濃度得到其吸附率。

圖1 陽離子染料中性紅的標準曲線

2 結果與討論

2.1 ZIF-8使用量對中性紅降解的影響

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

圖2 吸附劑用量對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，吸附的表面積也相應增大，吸附效果得到改善[15]。當ZIF-8的用量從1 mg增加到5 mg時，中性紅的降解率由90.7%增加到95.0%。繼續增加ZIF-8的使用量，吸附處于動態平衡，且降解率略有下降，當ZIF-8的使用量為8 mg時，中性紅的降解率為94.0%。因此，本實驗選擇ZIF-8的最佳使用量為5 mg。

2.2 吸附時間對中性紅降解的影響

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，研究吸附時間對中性紅溶液降解的影響，結果如圖3所示。

圖 3 吸附時間對陽離子染料中性紅降解的影響

由圖3可知，但吸附時間為2 min時，中性紅降解率較低，為83.7%；增加吸附時間到10 min時，中性紅的降解率達到最佳，降解率為95.9%。繼續延長吸附時間到15min、20 min，降解率分別為94.5%、95.0%，可以推測此時吸附降解反應趨于一個動態平衡。為此，最佳吸附降解時間為10 min。

2.3 吸附溫度對吸附的影響

在吸附劑用量為5 mg，將質量濃度為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℃)對中性紅溶液降解的影響，實驗結果見圖4。

圖 4 吸附溫度對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，ZIF-8對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 論

本文通過簡單的方法合成了ZIF-8吸附材料，并將其應用于陽離子染料中性紅的吸附降解反應，對ZIF-8吸附性能進行了初步的探究。實驗結果表明，ZIF-8的使用量為5 mg、吸附溫度24 ℃、吸附時間10 min時，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，ZIF-8在吸附降解陽離子染料中性紅中表現出較好的效果，可為工業上染料廢水的處理提供數據參考。

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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，高級實驗師, 研究方向：有機化學、現代分析技術、創新創業教育。

O643.36

A

1004-0935（2020）12-1486-03