基于3DOM结构的高分子吸附剂的制备及其在吸附分离中的应用

【摘要】：当前,水资源短缺和水污染已经成为了全球面临的重大挑战之一,广泛地影响着社会活动和工业的可持续发展。许多技术被用于水净化可持续发展,其中吸附作为一种经济、有效的除污方式而被广泛采用和研究。三维有序大孔(threedimensionally ordered macroporous,3DOM)材料具有相互连通的大孔、超薄孔壁结构以及均一的孔径,因此该类材料被广泛应用于吸附、光学传感器,锂离子电池,超级电容器等领域。3DOM功能高分子吸附材料同时具备功能高分子和3DOM结构的双重优势。一方面,功能高分子材料具备易于分子设计、高韧性低密度以及易于功能化的特征;另一方面,3DOM结构有利于强化传质,同时超薄孔壁有利于提高功能基团的利用率。因此设计3DOM高分子吸附剂并应用于水体污染物的移除具有重要的意义。另外,3DOM尽管具有互联大孔以及纳米尺寸的孔壁结构,但其比表面积通常很低。因此,在3DOM材料的孔壁骨架上引入介孔,从而形成分级孔结构可实现在3DOM结构的基础上达到高比表面积,从而进一步提高其吸附性能。此外,孔壁的介孔结构可以提供更多的有效吸附空间。本课题的主要研究内容及结果如下:(1)以水溶性微球聚丙烯酰胺(PAM)作为胶体晶模板(CCTs),构筑了具有3DOM结构的交联聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(CLPGMA)基体,水溶性胶体晶模板的使用避免了使用其他模板产生的不利影响。进而通过葡甲胺(NMGD)改性3DOM CLPGMA获得了具有多羟基结构的超亲水吸附剂,并应用于海水脱硼。在加料量为1 g/L时,海水脱硼的效率高达95%以上,可以在240 min后达到吸附平衡。此外,材料的在10次的再生循环后能够保持85%的移除效率以及完整的3DOM结构;(2)采用SiO_2作为CCTs制备了3DOM交联聚苯乙烯(3DOM CLPS),通过氯甲基化在基体材料上引入氯甲基基团。进而通过付克烷基化反应在孔壁引入微、介孔结构。在付克烷基化反应的过程中加入对乙酰氨基酚作为改性剂,在形成微、介孔结构的同时引入极性的基团。探究了反应时间对材料比表面积的影响以及材料吸附苯酚的性能。材料吸附量随比表面积的提高而增大,Langmuir模型最大吸附量为170.2 mg/g;(3)利用CCTs并结合致孔剂(有机溶剂或低聚物)作为双模板制备分级孔树脂并应用于水体中苯酚的移除。CCTs用于构筑相互连通的3DOM结构,有机溶剂以及低聚物用于构筑微、介孔结构。通过双模板的方法制备了具有有序大孔-介孔相结合的分级孔吸附树脂。探讨了相应致孔剂含量、比例以及类型对于材料孔结构的影响以及吸附性能。