功能化多孔材料在水中有机污染物去除中的应用

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有机污染物导致的水污染问题是目前人类面临的最为严峻的环境问题之一。处理各种有机污染物导致的水污染问题是当前环境治理的当务之急。用各种多孔的吸附剂吸附是目前处理水中有机污染物最为方便、廉价、有效的方法之一。但是,有机污染物种类繁多,结构和性质各异,不同的吸附剂对于不同的有机污染物的吸附作用机理、吸附容量、吸附动力学、以及选择性千差万别。为了实现更高效的分离和去除各种有机污染物,就需要根据不同类别的有机污染物的自身特点,设计和合成优秀的新型吸附剂。基于此,在本论文中,我们针对不同类型的有机污染物的自身特点,设计和合成了相应的功能化多孔材料,分别实现了对油类有机污染物和有机染料污染物的高效快速分离和去除。研究主要分为以下三个部分:  1.借助多巴胺在碱性环境中可以在任意表面上自发聚合和聚多巴胺易于功能化修饰的特点,以已经商业化的具有阻燃性能的三聚氰胺海绵为原料,用简单的两步溶液法修饰合成了一个具有超疏水性和阻燃性能的三聚氰胺海绵。将该材料用于多种有机溶剂和油类有机污染物的去除,该材料具有高的吸附容量、卓越的选择性、优秀的可回收性和可重复使用性。更重要的是,由于该材料继承了三聚氰胺海绵的固有的阻燃性能,因此在用于易燃的油类和有机污染物的去除的时候,有希望降低发生燃烧或者爆炸的风险。另外,本文的合成方法简单,没有复杂的设备,原材料也廉价易得,通过简单的扩大生产规模,实现了大规模化的生产和应用。上述这些优点使得超疏水的三聚氰胺海绵成为比商业化的聚丙烯无纺布更有竞争力的新型吸油材料。  2.传统的表面疏水修饰方法往往需要消耗大量的有机溶剂,不仅不利于大规模合成,而且也具有很大的能耗。因此,本文以已经商业化的具有阻燃性能的三聚氰胺海绵为原料,通过简单的无溶剂法,一步合成了超疏水的三聚氰胺海绵。本文中的无溶剂一步合成法大大简化了表面疏水修饰的步骤。本文中合成的材料不仅具有优秀的吸油性能(包括高的吸附容量、快的吸附动力学、优秀的可回收性和可重复使用性),而且由于保留了三聚氰胺海绵的高的含氮量,因而继承了三聚氰胺海绵固有的阻燃性能。由于该方法简单,没有复杂的设备,大规模的合成和应用都很容易实现。另外,我们也合成了具有超疏水性的三聚氰胺薄膜,并将这个超疏水的膜用于油水混合物的过滤分离。本文中的表面修饰方法具有普适性,不仅可以修饰三聚氰胺材料,也可以修饰其他高分子材料,比如聚酰亚胺膜、凯夫拉纤维等。  3.以一种常见的具有多孔结构的金属有机框架材料ZIF-67为模板和前驱体,合成了一种带有磁性的而且在酸性环境中稳定存在的Co/C磁性纳米复合材料。该复合材料不仅具有多孔结构和较大的比表面积,而且由于形成了石墨化碳包裹金属纳米粒子的结构,该材料在广泛的pH值范围内都能稳定存在,是一种耐酸的磁性吸附材料。将该材料用于两种常见的有机染料污染物的去除,不仅具有较高的最大吸附容量(对罗丹明B和孔雀石绿的最大吸附容量分别为400 mg g-1、561.8 mgg-1)、较快的吸附动力学、而且较宽的pH值范围内都有较好的染料去除效果。将Co/C复合材料用于实际样品中有机污染物的去除,可以通过简单外加磁场的办法对吸附了污染物的吸附剂进行分离,从而简化了吸附的后处理过程,有利于实际应用。
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