由帶電基團和柔性側鏈組成的離子液體(ILs)引起了人們關注,其特殊的結構使其具有理想的電荷特性和合適的潤濕性,也使其對乳液具有界面活性。然而還沒有關于ILs結合MOF用于處理乳化含油廢水的破乳報道。
基于此, 研究人員將1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽(AmimCl)用于修飾MIL-100(Fe),制備了一種新型的復合破乳材料(Amim@MIL-100(Fe)),該材料具有良好的破乳性能。
研究人員將均苯三甲酸(BTC)的甲醇溶液加入到FeCl3·6H2O的AmimCl溶液中,即可制備Amim@MIL-100(Fe),而不含Amim+的產物為MIL-100(Fe),不同Amim+:Fe3+摩爾比的產物記為Amim@MIL-100(Fe)-x。XRD圖譜顯示Amim@MIL-100(Fe)-x的特征峰與MIL-100(Fe)一致,表明Amim@MIL-100(Fe)-x具有與MIL-100(Fe)相同的晶體結構。然而,由于Amim@MIL-100(Fe)層內存在的Amim+補償了MIL-100(Fe)所帶的負電荷,所以所有Amim@MIL-100(Fe)-x的負電位都低于MIL-100(Fe),這也表明Amim+成功地封裝在MIL-100(Fe)中。通過XPS發現Amim+中烯丙基的π電子可能是電子供體,可以通過π…Fe絡合降低Amim@MIL-100(Fe)-3:3中Fe的氧化態。
所有的Amim@MIL-100(Fe)-x樣品與MIL-100(Fe)都可以很好地分散在水和油酸中,這說明MIL-100(Fe)和Amim@MIL-100(Fe)都具有兩親性,滿足破乳劑的要求。MIL-100(Fe)需要30分鐘才能獲得94%的DE,而Amim@MIL-100(Fe)-3:3僅需要30秒即可實現94%的DE。隨后的3次破乳劑循環再生性實驗發現MIL-100(Fe)的DE降至64%,而Amim@MIL-100(Fe)-3:3在破乳劑循環3次后仍保持O/W型乳液效率的83%。與此同時與其它報道的材料相比,Amim@MIL-100(Fe)具有非常短的破乳時間、高DE和操作簡單的優點。
研究人員分析了所制備材料的表面電荷與DE之間的相關性,發現DE與表面電荷呈顯著正相關。而IFT分析表明油酸-水的IFT在加入MIL-100(Fe)或Amim@MIL-100(Fe)-x前后均無明顯變化。這說明Amim@MIL-100(Fe)的破乳不是由IFT的減少引起的,而是由MIL-100(Fe)破乳時的捕獲、融合和破裂引起的。
吸附密度表明,MIL-100(Fe)上Fe原子周圍幾乎沒有吸附SDS,而在Amim@MIL-100(Fe)上的同一位點吸附了大量SDS,更重要的是,SDS可以被吸附在咪唑環的正電荷位點以及苯環的骨架周圍。同時由于Amim+的存在,SDS的平均吸附能從-26.58增加到-48.76 kJ/mol。徑向分布函數(RDF)圖發現MIL-100(Fe)主要在0.5 nm處吸附油酸,而Amim@MIL-100(Fe)可以在更遠距離(0.5-1.0 nm)處吸附油酸。吸附距離的增加會提高對油酸的吸附量,從而降低破乳液中油酸的含量,提高Amim@MIL-100(Fe)的DE。
綜上所述,研究人員將IL AmimCl包封在MIL-100(Fe)的微孔中,Amim+的封裝增加了MIL-100(Fe)的正電荷密度,通過增強的靜電吸引力和長程力改善了材料與乳液之間的相互作用,從而將破乳時間縮短了60倍。
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