【摘要】： 重金屬離子廢水及含酚廢水是造成水污染的主要來源,對人類社會已經(jīng)造成了很大的危害。因此,通過分子設(shè)計,制備既能夠高效地處理廢水中的污染物,又能夠有效地分離和回收有用物質(zhì)的高性能(高結(jié)合容量、高選擇性)材料,具有重要的環(huán)境保護(hù)與資源再利用價值。本課題首先制備了兩種接枝型復(fù)合材料并充分研究了它們對重金屬離子及酚類物質(zhì)的吸附性能與吸附機(jī)理。在此基礎(chǔ)上,本課題在國際范圍內(nèi)首次提出并建立了一種新型的表面分子印跡技術(shù),在硅膠表面實施了重金屬離子及酚類物質(zhì)的分子(離子)印跡,制備了三類高性能的分子(離子)表面印跡材料,充分研究了它們對模板分子(離子)的結(jié)合性能與識別機(jī)理。所制備的分子(離子)表面印跡材料對重金屬離子以及酚類物質(zhì)等環(huán)境污染物具有高效的去除能力。本課題的研究結(jié)果在環(huán)境保護(hù)與治理領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價值。 通過γ-氯丙基三甲氧基硅烷的媒介,采用“接枝到”("graft to")的方法將功能大分子聚乙烯亞胺(polyethyleneimine, PEI)接枝到硅膠微粒表面,制備了接枝型復(fù)合材料PEI/SiO2；考察研究了PEI/SiO2對Cu2+、Cd2+、Pb2+、Zn2+、Cr3+等重金屬離子的吸附性能與吸附機(jī)理。實驗結(jié)果表明,PEI/SiO2對Cu2+、Cd2+、Pb2+、Zn2+、Cr3+等重金屬離子具有強(qiáng)的螯合吸附能力。PEI/SO2對重金屬離子的吸附屬于單分子層化學(xué)吸附,吸附行為符合Langmuir吸附模型。吸附容量受pH以及溫度的影響很大,在重金屬離子不發(fā)生水解的pH值范圍內(nèi),隨著pH的增大,吸附容量增高；吸附容量隨溫度升高而增大,充分顯示出化學(xué)吸附的特征。 在上述研究基礎(chǔ)上,以Cu2+、Cd2+、Pb2+、Cr3+為模板離子,環(huán)氧氯丙烷為交聯(lián)劑,對化學(xué)接枝在硅膠微粒表面的功能大分子PEI進(jìn)行了重金屬離子印跡,制備了四種重金屬離子的表面印跡材料IIP-PEI/SiO2；考察研究了IIP-PEI/SiO2對模板離子的結(jié)合性能與識別選擇性。實驗結(jié)果表明,IIP-PEI/SiO2對模板離子具有優(yōu)良的結(jié)合親和性與特異的離子識別選擇性。與印跡之前的接枝型復(fù)合材料PEI/SiO2相比,重金屬離子印跡材料IIP-PEI/SiO2對模板離子的選擇性系數(shù)提高了14-60倍。離子印跡材料IIP-PEI/SiO2還具有良好的脫附性能與重復(fù)使用性能,用0.1mol·L-1的鹽酸就可以實現(xiàn)重金屬離子的脫附,而且重復(fù)使用性能好,使用10次以后結(jié)合容量基本不變。 對于接枝型復(fù)合材料PEI/SiO2,還深入考察研究了它對苯酚及對硝基苯酚等酚類物質(zhì)的吸附性能與吸附機(jī)理。實驗結(jié)果表明,憑借氫鍵相互作用與靜電相互作用的協(xié)同,PEI/SiO2對酚類物質(zhì)具有很強(qiáng)的吸附作用,吸附屬于單分子層的物理吸附,吸附行為符合Freundlich吸附模型。吸附容量受pH以及溫度的影響很大,吸附容量隨介質(zhì)pH的增大呈現(xiàn)先增大后降低的規(guī)律,在pH為7時,吸附容量最大；吸附容量隨溫度升高而降低,顯示出物理吸附的特點。 在上述研究的基礎(chǔ)上,分別以苯酚及對硝基苯酚為模板分子,乙二醇二縮水甘油醚為交聯(lián)劑,對化學(xué)接枝在硅膠微粒表面的功能大分子PEI進(jìn)行了苯酚及對硝基苯酚分子印跡,制備了苯酚及對硝基苯酚分子的表面印跡材料MIP-PEI/SiO2�？疾煅芯苛藘煞N分子印跡材料MIP-PEI/SiO2對模板分子的結(jié)合性能與識別選擇性。實驗結(jié)果表明,兩種印跡材料MIP-PEI/SiO2對模板分子具有優(yōu)良的結(jié)合親和性與特異的分子識別選擇性。與印跡之前的接枝型復(fù)合材料PEI/SiO2相比,分子印跡材料MIP-PEI/SiO2對模板分子的選擇性系數(shù)提高了11-40倍。MIP-PEI/SiO2還具有良好的脫附性能與重復(fù)使用性能,用0.1mol·L-1的鹽酸就可以實現(xiàn)苯酚及對硝基苯酚的脫附,使用10次以后結(jié)合容量基本不變。 通過3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的媒介,采用“接枝于”("graft from")的方法將功能大分子聚甲基丙烯酸(polymethylacrylic acid, PMAA)接枝到硅膠微粒表面,制備了接枝型復(fù)合材料PMAA/SiO2；考察研究了PMAA/SiO2對苯酚的吸附性能與吸附機(jī)理。憑借氫鍵相互作用,PMAA/SiO2對苯酚具有強(qiáng)的吸附作用,吸附屬于單分子層的物理吸附,吸附行為符合Freundlich吸附模型。吸附容量受pH以及溫度的影響很大,吸附容量隨介質(zhì)pH的增大而降低；吸附容量隨溫度升高而減小,顯示出物理吸附的特點。 在上述研究的基礎(chǔ)上,以苯酚為模板分子,乙二醇二縮水甘油醚為交聯(lián)劑,對化學(xué)接枝在硅膠微粒表面的功能大分子PMAA進(jìn)行了苯酚分子印跡,制備了苯酚分子的表面印跡材料MIP-PMAA/SiO2�？疾煅芯苛薓IP-PMAA/SiO2對苯酚的結(jié)合性能與識別選擇性。實驗結(jié)果表明,MIP-PMAA/SiO2對苯酚具有優(yōu)良的結(jié)合親和性與特異的分子識別選擇性。與印跡之前的接枝型復(fù)合材料PMAA/SiO2相比,苯酚分子印跡材料MIP-PMAA/SiO2對苯酚的選擇性系數(shù)提高了22-25倍。MIP-PMAA/SiO2具有良好的脫附性能與重復(fù)使用性能,用0.01mol·L-1的氫氧化鈉溶液就可以實現(xiàn)苯酚的脫附,使用10次以后結(jié)合容量基本不變。
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：X703

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本文編號：2686527