一种铜配合物的制备及其对甲基橙的高效吸附.pdf
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1、一种铜配合物的制备及其对甲基橙的高效吸附吴秋艳1,汪鹏飞1,2*(1.池州学院 微纳粉体与先进能源材料安徽省普通高校重点实验室,安徽 池州 247000;2.南京大学 配位化学国家重点实验室,江苏 南京 210023)摘要:为了有效去除废水中的染料,本文采用简单的直接沉淀法制备了一种铜配合物(Cu-CP),该方法无需任何模板剂和表面活性剂参与。采用元素分析仪、红外光谱仪、扫描电镜、X-射线光电子能谱仪、X-射线粉末衍射仪、热重以及氮气吸附-脱附等手段表征了该铜配合物。将该铜配合物作为吸附剂用于去除水溶液中的甲基橙染料,结果显示其对该染料具有优异的去除能力,同时吸附动力学结果显示其吸附特征符合准
2、二级动力学模型,且吸附热力学结果表明该吸附过程是自发进行的放热过程。对吸附机理分析表明,其去除甲基橙的优异性能主要归因于该配合物的硫酸根离子与甲基橙的磺酸根离子间发生的离子交换作用。关键词:甲基橙;弱配位键;吸附;离子交换;水纯化中图分类号:TQ132.4文献标志码:A文章编号:1007-4260(2023)02-0001-09Preparation of a Copper Coordination Polymer and Its Efficient Adsorptionof Methyl OrangeWU Qiuyan1,WANG Pengfei1,2*(1.Key Laboratory o
3、f Micro-Nano Powder andAdvanced Energy Materials ofAnhui Higher Education Institutes,Chizhou University,Chizhou 247000,China;2.State Key Laboratory of Coordination Chemistry,Nanjing University,Nanjing 210023,China)Abstract:To effectively eliminate dyes from the wastewater,a Cu()-based coordination p
4、olymer(Cu-CP)was pre-pared via a simple direct precipitation method without any template or surfactant.The Cu-CP was characterized through vari-ous methods including EA,FT-IR,SEM,XPS,XRD,TG and N2adsorption-desorption analysis.As an adsorbent,the Cu-CPwas employed for the removal of methyl orange(MO
5、)from aqueous solutions,demonstrating its excellent capability in MO re-moval.The adsorption equilibrium data agreed well with the pseudo-second-order.The study of adsorption thermodynamicsshows that the adsorption process is spontaneous and exothermic.The adsorption mechanism can be attributed to t
6、he high ad-sorption capability resulting from the ionic exchange type of the Cu-CP adsorbent.Key words:Methyl Orange;weak coordination bond;adsorption;ion-exchange;water purification由于印染、纺织、服装等行业的迅速发展,染料的使用种类和数量也日益增加,所产生的废水给生态环境系统造成了严重威胁1-4。甲基橙(Methyl Orange,MO)是一种含有偶氮结构和磺酸根的阴离子型染料,其使用较为广泛,是难以自然降解的常
7、见有机染料。目前,去除水体中有机染料的方法较多,如光催化降解法、生物降解法、膜分离法、氧化法和吸附法等5-8。在上述方法中,吸附法因其操作简单、绿色环收稿日期:2022-12-08基金项目:国家自然科学基金项目(21802010),安徽省教育厅重点项目(KJ2020A0763),安徽省教育厅重大项目(2022AH040253)和南京大学配位化学国家重点实验室开放基金项目(SKLCC1805)作者简介:吴秋艳(1984),女,安徽石台县人,池州学院材料与环境工程学院实验师,研究方向为纳米材料制备及其基础应用。E-mail:通信作者:汪鹏飞(1980),男,安徽无为人,博士,池州学院材料与环境工程
8、学院教授,研究方向为无机-有机功能杂化材料和新能源材料研究。E-mail:2023年5月第29卷第2期安庆师范大学学报(自然科学版)Journal ofAnqing Normal University(Natural Science Edition)May 2023Vol.29 No.2DOI:10.13757/34-1328/n.2023.02.001安庆师范大学学报(自然科学版)2023年保、投入成本相对较低而受到广泛应用。吸附法需要采用吸附剂来有效吸附水体中的有机染料,开发合适的吸附剂就成为一项具有挑战性的工作。近年来,诸如活性炭、分子筛、石墨、层状双金属氢氧化物等无机材料被广泛应用于吸
9、附水体中的各种染料9。虽然这些材料在水环境中对有机染料具有一定的吸附效果,但存在吸附容量小、选择性差、速率慢等不足之处,因此设计并制备新型吸附材料是一项具有重要理论意义和现实价值的研究工作。配位聚合物(Coordination Polymers)是一类重要的有机-无机杂化材料,其是通过金属离子或金属簇单元与含有功能基团的有机配体依托化学键组装而成,从结构上可以分为一维链、二维层和三维框架等,可以利用改变金属离子类型、有机配体分子结构或合成条件等来调控产物结构。其中,配位聚合物中的一类重要材料为金属有机框架(Metal-Organic Frameworks,MOFs),这类材料一般具有比表面积大
10、、孔隙率高、结构可调节以及三维结构等特点,其作为吸附剂在有机染料废水处理领域具有重要意义和潜在应用价值10-13。这些MOFs材料在吸附水环境中有机染料时的主要驱动力有静电相互作用、氢键作用、-作用等。通常,大部分MOFs材料在水环境中不够稳定,主要是因为其多孔结构特征,因此稳定性限制了该类材料在吸附染料领域中的进一步应用。而相对于具有三维骨架的MOFs材料,很多具有低维结构的(一维链和二维层)配位聚合物多具有相对较高的稳定性。然而,具有低维结构配位聚合物作为吸附材料的研究相对较少,主要是这类材料无孔道结构以及较低的表面积,吸附效果普遍较差,因此探索这类材料作为吸附剂以有效去除水环境中的染料具
11、有重要的实际应用价值14。基于上述思路,本文运用配位化学基本原理并结合合成化学基础理论,设计组装了以二价铜离子(Cu2+)为中心离子、以1,2-二(4-吡啶基)乙烯为有机配体的铜配合物(Cu-CP),该配合物能够在水溶液中稳定存在,且在合成过程中引入了具有弱配位能力的硫酸根(SO42-)以作为配位单元和电荷平衡单元存在于该配合物中。同时,本文探讨了Cu-CP配合物对水溶液中甲基橙染料的去除性能。1实验1.1实验材料五水合硫酸铜(CuSO4 5H2O,CR)、1,2-二(4-吡啶基)乙烯(bpe,C12H10N2,98%)、甲基橙(MO,C14H14N3SO3Na,98%)、亚甲基蓝(MB,C1
12、6H18ClN3S,AR)、罗丹明B(RhB,C28H31N2ClO3,98%)、无机盐(氯化钠NaCl、硝酸钠NaNO3、氯化钾KCl、氯化钙CaCl2、无水硫酸钠Na2SO4、无水硫酸镁MgSO4,AR)、无水乙醇(C2H5OH,CR)。MO、MB和RhB分子结构如图1。上述试剂均购自上海麦克林生化科技有限公司。利用Thermo Scientific Nicolet Is10型傅里叶变换红外光谱仪分析相关化合物的红外光谱(KBr压片,4 000 cm-1400 cm-1);样品粉末XRD由Rigaku Ultima X-射线衍射仪测定(Cu K,=1.540 56,扫描范围为550),其工
13、作电压和电流分别为40 kV和40 mA;样品热重性质在氮气氛围下由ThermoGravimetricAnalyzer Q500测定,测试温度为25 C800 C,升温速度为10 C/min;采用Zeiss Sigma 500型场发射扫描电镜来表征产物吸附前后的表面形貌;X-射线光电子能谱(XPS)由Thermo ESCALAB250 测试完成;样品电位由Anton Paar Litesizer 500测定完成;溶液中染料的吸光度由UH-5700型分光光度计测量,测量范围为200 nm800 nm。1.2Cu-CP配合物制备在250 mL三角瓶中称量1.000 g CuSO45H2O并加入12
14、0 mL去离子水,磁力搅拌呈淡蓝色透明液体A;再在小烧杯中称取0.728 g bpe并加入无水乙醇40 mL,搅拌呈淡黄色透明液体B;在室温搅拌条件下,将B溶液通过恒压滴液漏斗滴入A溶液中,立刻形成深蓝色不溶物,滴加完毕后继续搅拌3小时,通过减压抽滤得到深蓝色固体产物,并依次用去离子水和无水乙醇各洗涤3次,冷冻干燥8小时,最终得到1.456 g Cu-CP产物。1.3吸附实验配制1 000 mLMO溶液(500 mg/L)备用。吸附实验均在气浴振荡器中进行,实验温度为(25 0.5)C,2第2期振荡速率为200 r/min,三次平行。溶液pH值用0.1 M的HCl溶液和0.1 M的NaOH溶液
15、调节。将干燥后的20.0 mg Cu-CP样品置于125 mL三角瓶中,加入某一浓度的MO水溶液100 mL,取吸附后溶液离心(4 000 r/min,2 min)以得到上层清液,再用0.22 m聚四氟乙烯滤膜过滤,用紫外-可见分光光度计检测液体在200 nm800 nm范围的吸光度。在水溶液中,Cu-CP配合物对MO染料的吸附量和去除率可以通过下列公式计算:qt=(c0-ct)Vm,(1)=(c0-ct)c0 100%,(2)其中,qt(mg/g)是MO在某一固定时间的吸附量,c0(mg/L)和ct(mg/L)分别代表MO染料在初始和固定时间t的浓度,V(L)代表溶液体积,m(g)代表吸附剂
16、Cu-CP质量。准一级和准二级动力学模型的线性方程如15ln(qe-qt)=lnqe-k1t,(3)tqt=1k2qe2+tqe,(4)式中,t为吸附时间(min),k1(min-1)和k2(g/(mg min)分别是准一级和准二级动力学模型常数,qe和qt分别是平衡时间和t时刻的吸附容量(mg/g)。在(298.15308.15)K范围内,研究Cu-CP配合物的MO吸附热力学,其热力学参数包括吉布斯自由能(G)、焓变(H),以及熵变(S)可以通过下列方程计算:G=H-TS,(5)ln()qece=SR-HRT,(6)式中,R(8.314 J/(molK),T(K),ce和qe表示某一固定温度
17、和固定吸附时间内MO的平衡浓度和吸附量。1.4表面电荷测试利用电位仪测试Cu-CP配合物在水溶液中以及吸附MO染料后的电荷情况。将2.0 mg Cu-CP加入到装有10 mL去离子水的离心管中并超声分散;同时,将20.0 mg的Cu-CP配合物加入到装有100 mg/L MO溶液的100 mL三角瓶中。将三角瓶和离心管置于气浴振荡器中,并于200 r/min、25 C条件下振荡4小时,然后取样测试。2结果与讨论2.1Cu-CP配合物吸附剂的表征本文的Cu-CP配合物是采用直接沉淀法所制备,同时我们也将相同的原料和溶剂采用混合溶剂热方法处理(120 C反应 24小时),后者得到的产物和直接沉淀法
18、产物的物相一致。根据文献16可知,利用CuSO45H2O与bpe两种试剂在不同条件下反应可得到两种不同结构的铜化合物,即Cu(bpe)2Cu(bpe)(H2O)(SO4)22H2O(1)和Cu(bpe)(H2O)(SO4)(2),其中,化合物(1)中所 含 Cu(bpe)22+单 元 具 有 矩 形 结 构,同 时Cu(bpe)(H2O)(SO4)22-具有线性阴离子链结构,进而形成了一种相互穿插的三维结构。而化合物(2)是通过Cu(bpe)(H2O)2+一维阳离子链结构与SO42-阴离子形成另外一种三维结构化合物。将实验合成的MBRhBMO图1甲基橙(MO)、亚甲基蓝(MB)和罗丹明B(Rh
19、B)的分子结构吴秋艳,汪鹏飞:一种铜配合物的制备及其对甲基橙的高效吸附 3安庆师范大学学报(自然科学版)2023年Cu-CP配合物与上述两个化合物的XRD对比发现(图2),本文Cu-CP配合物不同于文献所报道的两种化合物。通过对Cu-CP配合物元素及其他表征手段结果分析,可以初步判定其化学式为Cu(bpe)(SO4)2H2O(理论值:C,39.09,H,7.41,N,3.70,S,8.46;实验值:C,38.18,H,3.75,N,7.64,S,8.65)。利用SEM观察Cu-CP配合物的表面形貌,如图3a和3b所示,Cu-CP配合物具有较为均匀的块状结构,大小为10 m20 m,放大倍数可进
20、一步观察到块状材料的表面呈薄片状。10203040502/Intensity/(a.u.)化合物(2)Cu-CP图3Cu-CP(a,b)及其吸附产物Cu-CPMO(c,d)的SEM形貌图2Cu-CP与化合物(1)、化合物(2)的XRD对比化合物(1)为进一步了解Cu-CP配合物精确的化学环境,本文测定了其XPS,图4显示了该配合物的全谱图及Cu、C、N、O、S等元素的谱图。其中,图4b显示了配合物中Cu2+状态;S 2p谱图表明配合物中存在SO42-,这与红外光谱的结论一致;N 1s图谱表明其存在吡啶氮原子(398.65 eV)和Cu-N配位键(400.45 eV)17;O 1s图谱表明其存在
21、Cu-O键(532.35 eV),且较正常Cu-O键弱,也表明中心金属Cu2+与硫酸根中O之间存在弱配位键,与部分铜配合物中在轴向方向存在弱Cu-O键一致18。因此,上述结果进一步证实了本文铜配合物Cu-CP的存在。通过测试Cu-CP配合物在氮气气氛中的热重曲线,可以清楚地发现该物质存在三步失重过程(图5a),从室温到145 C左右,失重约15.90%,主要失去结晶溶剂分子;从180 C到220 C左右,失重约8.04%,物质可能失去了配位水分子;从300 C到380 C左右,失重约45.01%,所有主要有机物全部分解,剩余黑色产物为金属氧化物(CuO)。通过测定该配合物的比表面积、孔体积和孔
22、径来表征其在氮气氛围中的吸附性质。如图6a和6b所示,该配合物具有较窄的孔径分布和孔体积(平均孔径为1.346 nm,孔体积为0.041 cm3/g)和较小的BET表面积(25.238 m2/g)。(a)Cu 2pO 1sN 1sC 1sS 2p1100 1000900800700600500400300200100Binding enery/eVIntensity/(a.u.)970965960955950945940935930925Binding enery/eV294292290288286284282280278276Binding enery/eVstrong Cu2+satell
23、ite(b)strong Cu2+satelliteCu 2p1/2Cu 2p3/2C-HC-CC=C/C=N(c)(d)(e)(f)SO42-174172170168166164162160158156Binding enery/eV410408406404402400398396394392Binding enery/eV542540538536534532530528526524522Binding enery/eVCu-N-N=Cu-OSO42-Intensity/(a.u.)Intensity/(a.u.)Intensity/(a.u.)Intensity/(a.u.)Intensi
24、ty/(a.u.)图4Cu-CP的XPS分析。(a)全谱图;(b)Cu 2p谱图;(c)C 1s谱图;(d)S 2p谱图;(e)N 1s谱图;(f)O 1s谱图 4第2期15.9%8.04%45.01%10080604020(a)(b)Weight/%100200300400500600700800T/Ca Cu-CPb Cu-CPMOc MO4 0003 0002 0001 000Wavenumber/cm-1abcT/%图5(a)Cu-CP的热重曲线;(b)Cu-CP、MO和Cu-CPMO的红外光谱Adsorption403020100(a)(b)QuantityAdsorbed/(cm3
25、/g STP)0.00.20.40.60.81.0Relative Pressure(P/P0)020406080100120140Pore diameter/nmDesorptionPore volume/(cm3/g)0.0100.0080.0060.0040.0020.000图6(a)Cu-CP的N2吸附-脱附曲线;(b)Cu-CP的孔径分布2.2Cu-CP对MO的去除性能研究2.2.1吸附动力学研究图7a揭示了20 mg Cu-CP吸附材料在(25 0.5)C、200 r/min条件下对不同浓度MO(25 mg/L、50 mg/L、75 mg/L,120 mL)的吸附效果,研究发现Cu
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