高分子固载功能离子液体材料的合成及其对水体中酚类和抗生素的高效去除

来源 :河南师范大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:liongliong601
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酚类化合物是化工行业中重要的工业原料和很多精细化学品的中间体,同时也是一类毒性大、难降解的持久性有机污染物,在很低浓度下便可对水生生物和公共水体造成显著的危害。世界卫生组织规定饮用水中的酚类含量不能超过0.001 mg/L。抗生素如今已成为预防或治疗人和动物的细菌感染不可缺少的药物,但它们不能完全被生物体代谢。抗生素进入环境可能会引起微生物群落结构的变化,还会诱导细菌产生耐药性。随着抗生素的广泛和持续使用,多种抗生素已在地表水中被检测到,严重威胁着人类和生态系统健康。因此,如何快速、高效、简便地从水中去除这些污染物尤为重要。离子液体是完全由离子组成,在室温或接近室温时呈液态的物质,具有蒸汽压极低、不挥发、溶解性好、萃取能力强、热稳定性和化学稳定性好等独特的物理化学性质,在萃取污染物方面占据很大的优势。但离子液体价格昂贵,易流失,单独作为溶剂来萃取污染物用量大、成本高、分离过程复杂且不能完全分离。为了克服这一局限性,将离子液体固载到固体载体上制备成固载离子液体材料,完美地结合了离子液体和固体载体的优势。本研究采用化学键合法制备了三种吸附容量大、平衡时间短、抗干扰能力强、再生性能好的新型功能化固载离子液体材料,借助场发射扫描电镜(FE-SEM)、傅里叶转换红外光谱(FT-IR)、热重分析(TGA)、X射线光电子能谱(XPS)、能量色散X射线能谱(EDS)等一系列手段对材料的形貌、官能团和表面元素分布等进行了表征。分别以对硝基苯酚(PNP)、头孢噻呋钠(CFS)、磺胺嘧啶钠(SDS)为研究对象系统考察了三种固载离子液体材料的吸附性能。论文的主要研究内容和结论如下:(1)通过亲核取代反应,将1-胺乙基-3-甲基咪唑溴盐离子液体接枝在高分子树脂表面,制备了氨基功能化固载离子液体材料(PS-CH2-[C2NH2MIm][Br]),分别采用静态吸附实验和动态吸附实验系统研究了PS-CH2-[C2NH2MIm][Br]材料对水中PNP的吸附性能。结果表明,PS-CH2-[C2NH2MIm][Br]材料不仅对高浓度的PNP有极好的吸附性能,仅在30分钟内便可达到吸附平衡,吸附量高达1269.8 mg/g,而且可以有效去除水中低至0.0025 mg/L的PNP,富集倍率高达629.3,远远优于现有文献报道的吸附剂的性能。水中常见的干扰离子和中性分子,尤其是K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NO3-、Cl-,即使它们的浓度比PNP浓度高达1 mol/L(即比PNP浓度高100万倍)时,也不干扰材料对PNP的去除,表明该材料具备从高盐废水中去除PNP的潜力。将该材料应用于从实际水样中去除PNP,取得了良好的效果。此外,PS-CH2-[C2NH2MIm][Br]材料易于再生,至少可以循环10次而不会造成材料吸附性能的损失。机理研究表明材料对PNP的高效吸附可能是氢键、π-π堆积和离子交换的共同作用。(2)采用化学接枝法制备了一种优异的羟基功能化离子液体聚合物材料(PS-[Hemim][Cl]),并用于水溶液中头孢噻呋钠(CFS)抗生素的高效去除,系统考察了pH值、温度、时间等各种影响因素对其吸附性能的影响。研究表明,PS-[Hemim][Cl]材料对CFS的吸附能力在60分钟内便可达到1260.5 mg/g的超高水平,且在CFS 5ppb-1000 mg/L的初始浓度范围内均保持着较高的去除效率。即使常见无机离子如K+、Ca2+、Mg2+、SO42-、PO43-等的浓度比CFS高1000倍,其吸附效率仍保持在93%以上。同时,PS-[Hemim][Cl]材料对结构与CFS相似的抗生素也具有良好的吸附性能。在相同的实验条件下,PS-[Hemim][Cl]对CFS的吸附能力是几种常用市售吸附剂的4-468倍。本实验还研究了PS-[Hemim][Cl]材料对实际环境水样中不同浓度CFS的去除,并取得了良好的效果。PS-[Hemim][Cl]材料具有很好的稳定性和再生能力,可重复多次利用。初步机理研究表明,静电吸引、氢键和离子交换是PS-[Hemim][Cl]材料对CFS高效吸附的主要作用力。(3)通过载体和1-(三甲基硅基)咪唑之间的化学反应,在其表面原位生成三甲基硅功能化固载离子液体材料(PS-CH2-[TSiIm][Cl]),并用于水中磺胺嘧啶钠(SDS)的去除。系统考察了溶液pH值、溶液温度、反应时间、溶液浓度等因素对SDS吸附效果的影响。在上述基础上将材料制备成固相萃取柱,考察了溶液体积、共存离子等因素对萃取柱动态吸附磺胺嘧啶钠性能的影响。结果表明,SDS在PS-CH2-[TSiIm][Cl]材料表面的吸附过程符合假二级动力学模型和Langmuir吸附等温模型,最大吸附量高达438.2mg/g,高于大多数已报道的吸附剂的吸附容量。同时,PS-CH2-[TSiIm][Cl]材料对ppb水平(0.005 mg/L)的痕量SDS也表现出良好的去除效果,去除率在95.65%以上。常见无机离子如K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-即使浓度比SDS高20000倍,对SDS的去除也几乎没有影响。PS-CH2-[TSiIm][Cl]材料被成功用于从环境水样中去除SDS。此外,PS-CH2-[TSiIm][Cl]材料容易再生且吸附性能无损失。机理分析表明PS-CH2-[TSiIm][Cl]材料与SDS之间可能存在着氢键、静电吸引以及π-π作用。因此,PS-CH2-[TSiIm][Cl]材料由于其吸附性能良好、操作简便、易再生等优点,可以作为一种高效、经济的吸附剂用于从水中去除和回收SDS。
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