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《兰州大学》 2011年
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新型两亲性吸附材料的设计、合成及性能研究

金新亮  
【摘要】:高分子吸附材料是一类重要的功能高分子材料,其理论和应用研究都具有十分重要的意义。随着科学技术发展,人们对吸附材料的功能研究提出了越来越多的要求,其中,具有可吸附重金属离子和有机分子吸附材料的研究开始引起人们的重视,并且逐步成为该领域的研究热点。 本学位论文综述了吸附分离材料在国内外的研究进展,提出设计可同时吸附水体中重金属离子和有机分子新型吸附剂的理念,并制备了一系列具有此功能的吸附分离材料,并对所得吸附分离材料进行了表征及其性能研究。依据所得各吸附材料的特有性能,借助实验数据的解析和理论分析,探讨其应用前景。本学位论文的主要研究结果如下: 1.设计制备了新型无机有机杂化吸附材料P(A-O)/AT。在我们的研究工作中,首先细致研究了所合成材料对重金属金属离子的选择性吸附性质,并确定其在金属离子混合溶液中对Pb(Ⅱ)具有较好的选择性吸附效果。改变以往传统的策略,我们对材料的性能进一步开发,利用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)对所合成P(A-O)/AT进行了进一步改性处理,所获得新材料对苯酚表现出较为理想的吸附效果。通过对常规合成方法突破,成功设计了一种用于吸附水溶液中重金属离子和有机物的简单的合成方法。 2.首次提出利用原子转移自由基聚合(ATRP)和自由基聚合两种聚合方法联合用于新材料的设计合成,并成功利用这种方法在凹凸棒表面接枝聚合得到两亲性吸附材料ATP-PS-PDVB-PAO(ASDO),通过FTIR等表征手段确定其结构,通过系统研究其对金属离子Pb(Ⅱ)和有机分子苯酚的吸附情况发现,所合成材料对Pb(Ⅱ)的吸附在100 mg/L及其以下浓度几乎可以吸附完全,去除率高达99.9%以上,对铅表现出优异的吸附效果;另一方面,新设计材料与之前工作比较,苯酚吸附效果也有了较大提高,可以达到之前第一个工作吸附材料吸附量的2倍以上。同时重复吸附实验表明,所合成材料ASDO不但具有理想的吸附效果,而且具有稳定的化学结构。 3.将Schiff碱螯合配位理念引入到吸附材料的设计与合成当中,并以氯甲基化聚苯乙烯(PSC)为基体,利用ATRP和有机化学改性方法,成功合成了一系列选择性吸附材料,PSC-PGMA-EDA-SA, PSC-PGMA-DETA-SA,PSC-PGMA-TETA-SA。通过选择性吸附试验证明,在Pb(II),Cu(II),Hg(II), Cd(II), Zn(II), Al(III), Ni(III)等重金属离子共存环境中,所合成材料对Hg(Ⅱ)表现出高度选择性,同时具有较高吸附量(30℃时,最大吸附量可达526.3 mg/g),并且在去除Cu(II), Al(III)干扰后,材料对Hg(Ⅱ)的吸附几乎真正达到“完全无干扰”的选择性吸附状态。另一方面,基于材料自身特殊结构,研究材料对有机分子吸附过程主要选取具有酸性的有机物作为研究对象,结果表明所合成材料对对甲苯磺酸(p-TSA)具有较好的吸附效果并具有一定的选择性,实验发现所合成材料对p-TSA的吸附量可达到454.5 mg/g。 4.设计合成新型功能性单体DM-BS,并利用自由基聚合和ATRP两种方法分别对PSC进行功能接枝改性,分别得到PSC-DM-P(DM-BS)和PSC-PDM-BS。实验结果表明,所合成单体DM-BS改性后的材料在Pb(II), Cu(II), Hg(II), Cd(II), Zn(II), Al(III), Ni(III)等重金属离子共存环境中进行吸附,结果表现出对Hg(Ⅱ)具有专一性和高吸附量,并且自由基聚合改性后的材料可以实现其他重金属离子对Hg(Ⅱ)的吸附干扰保持在1/108(0.926%)以下,表现出真正的高选择性;另一方面,研究功能材料对有机分子的选择性吸附实验发现,合成材料对对甲苯磺酸(p-TSA)表现出极好的吸附效果并具有一定的选择性。在对Hg(Ⅱ)和p-TSA的单独吸附试验过程中发现,Hg(Ⅱ)初始浓度为100 mg/L及以下浓度两种材料对其去除率几乎都可以达到100%,当Hg(II)500mg/L, PSC-DM-P(DM-BS)可以达到116 mg/g,去除率为46.4%;而PSC-PDM-BS吸附的吸附量可以达到173.7 mg/g,同时保证去除Hg(Ⅱ)效率在60%以上;有机分子吸附试验结果表明,在p-TSA初始浓度为100 mg/L及以下浓度两种材料对其也可达到100%的去除效果,当p-TSA为488 mg/L, PSC-DM-P(DM-BS)可以达到178.5 mg/g,去除率为73.2%;而PSC-PDM-BS吸附的吸附量可以达到216.0 mg/g,去除p-TSA效率高达88.5%以上。吸附试验看出两种材料吸附效果均较为理想,并各有所长,自由基聚合改性材料PSC-DM-P(DM-BS)表现出更好的选择性,而ATRP改性材料具有更大的吸附容量,具体是由两种改性方法所赋予材料特殊的结构决定的。
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