钇锆双金属MOFs对有机膦阻垢剂HEDP的吸附研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0105

摘要/Abstract

摘要：

采用溶剂热法首次合成了新型钇锆双金属有机框架（YZr-MOF）吸附材料，并对其结构和表面性质进行了表征，研究了YZr-MOF对有机膦阻垢剂羟基亚乙基二膦酸（HEDP）的吸附行为和性质。实验结果表明，YZr-MOF呈现出大小均匀的球形颗粒结构，比表面积为912.862 m²/g；在298 K时，YZr-MOF理论最大吸附量为66.293 mg/g（以P计）。吸附过程符合准二级动力学和Langmuir模型，吸附过程为吸热过程，温度升高有利于YZr-MOF吸附HEDP。在吸附实验中，YZr-MOF的最佳质量浓度为0.2 g/L；YZr-MOF在较宽的pH范围内有着良好的稳定性，并且经过6次循环后，仍保持显著的吸附率。结合相关实验和FTIR、XPS的表征结果表明，静电作用和配体交换为主要吸附机理。

关键词: 金属有机框架, 有机膦阻垢剂, 吸附, 配体交换

Abstract:

A new yttrium zirconium bimetallic organic framework（YZr-MOF） adsorption material was synthesized by solvothermal method for the first time，and the structure and surface properties of adsorbents were characterized. Adsorption behavior and properties on organic phosphonate scale inhibitor 1-hydroxyethylidene-1，1-diphosphonic acid（HEDP） were investigated. Experimental results indicated that the structure of MOFs presented spherical particles of uniform size. The specific surface area of the adsorbent was 912.862 m²/g. At 298 K，the theoretical maximum adsorption capacity of YZr-MOF was 66.293 mg/g（calculated in P）. The adsorption process was fitted well with the pseudo-second-order kinetics equation and the Langmuir model. Moreover，the adsorption process was an endothermic process. The temperature rise was conducive to YZr-MOF adsorption of HEDP. In the adsorption experiments，the optimal amount of YZr-MOF was 0.2 g/L. YZr-MOF had good stability over a wide pH range and maintained a significant adsorption rate after six cycles. Combined with the relevant experiments and the characterization results of FTIR and XPS，electrostatic interaction and ligand exchange were the main adsorption mechanisms.

Key words: metal organic framework, organic phosphonate scale inhibitor, adsorption, ligand exchange

中图分类号:

X703
TQ424

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https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I2/73

图/表 12

图1 YZr-MOF的SEM图

Fig.1 SEM images of YZr-MOF

图2 YZr-MOF的XRD图

Fig.2 XRD patterns of YZr-MOF

图3 YZr-MOF的N₂吸附-脱附等温线

Fig.3 N₂ adsorption-desorption isotherms of YZr-MOF

图4 吸附剂投加量对吸附率的影响

Fig.4 The effect of adsorbent dosage on removal rate

图5 溶液初始pH对HEDP吸附量的影响

Fig.5 Effect of initial pH of solution on adsorption capacity of HEDP

图6 YZr-MOF的吸附动力学拟合曲线

Fig.6 Fitting curve of adsorption kinetics of YZr-MOF

表2 吸附剂的吸附动力学参数

Table 2 Kinetic parameters for adsorption onto the adsorbent

项目	准一级动力学方程				准二级动力学方程
参数	k ₁/h^-1	Q _e/（mg·g^-1）	R ²		k ₂/（g·mg^-1 h^-1）	Q _e/（mg·g^-1）	R ²
数值	0.069	89.233	0.980		0.001 0	94.581	0.991

图7 等温吸附拟合曲线

Fig.7 Isotherm adsorption fitting curve

表3 吸附剂的等温吸附拟合参数

Table 3 Parameters of isotherm models of adsorbents

T/K	Langmuir			Freundlich
T/K	q _m/（mg·g^-1）	K _L/（L·mg^-1）	R ²	n	K _F	R ²
298	220.264	2.018	0.999	5.299	130.902	0.856
308	236.407	1.748	0.999	5.045	137.266	0.902
318	257.069	2.223	0.999	4.998	154.922	0.921

图8 吸附前后FTIR图

Fig.8 FTIR spectra before and after adsorption

图9 吸附前后的XPS全谱图

Fig.9 Full-range XPS of adsorbent before and after adsorption

图10 吸附前后的Zr 3d（a）和Y 3d（b）

Fig.10 Zr 3d（a） and Y 3d（b） before and after adsorption

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