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微量重金属离子在水环境中经食物链存留、积累、迁移和生物放大,破坏生态环境、危害人类健康;一些急需金属,只能从贫矿、尾矿渣和电子垃圾中捕集。微量金属废水治理和水相微量金属离子富集有效方法之一是萃取,选择性能优异萃取剂是萃取过程关键,Kelex 100是高效金属离子萃取剂7-(4-乙基-1-甲基辛基)-8-羟基喹啉(又名7-烷基-8-羟基喹啉)的商品名,具有高选择性、稳定性、萃取速度、萃取与反萃取能力,与水中金属离子形成油溶性螯合物,欧美国家用于微量稀、贵金属离子的工业化回收,然而,Kelex 100生产工艺复杂,价格昂贵,限制其在国内规模化应用。本文开发了转移氢化法还原合成Kelex 100新工艺,研制了树脂、活性炭、羟基磷灰石负载Kelex 100的新型材料,研发了基于吸附-螯合-配位协同效应的羟基磷灰石-Kelex 100高效吸附重金属离子和富集稀有金属离子的方法。首先开发合成Kelex 100新工艺。以正丁醛、8-羟基喹啉等为原料,经正丁醛自缩合、与丙酮交叉缩合和催化氢化得到的重要中间体5-乙基-2-壬酮,再与8-羟基喹啉缩合生成7-烯基-8-羟基喹啉,最后用直接催化氢化和转移氢化得到目标产物Kelex 100,采用转移氢化法合成Kelex 100避免7-烷基-8-羟基喹啉分子中喹啉环被过度氢化,较完全回收Pd/C和实现8-羟基喹啉循环套用。采用正交实验法,考察了原料投料比、催化剂用量、氢气压力、反应温度、反应时间对各步反应收率的影响,确定每一步反应的最佳条件,最佳收率分别为99.3%、93.8%、94.4%、93.0%和99.5%(纯度97.3%);中间体和Kelex 100的纯度用GC、HPLC检测,其结构用IR、1H-NMR、GC-MS、LC-MS和MS进行了表征。此合成工艺简化了反应步骤,降低了生产成本,减少了污染物排放。Kelex 100液液萃取金属离子研究。以自制萃取剂Kelex 100与改良剂正癸醇及稀释剂煤油组成有机相对Zn(II)、Cu(II)、Co(II)和Ni(II)进行液液相萃取和洗脱,用正交实验确定的最优条件,对Zn(II)、Cu(II)、Co(II)和Ni(II)的萃取率分别为68.1%、98.7%、24.7%和4.8%,Zn(II)和Cu(II)用盐酸洗脱的反萃取率分别为72.1%和84%,回收率分别为49.4%和82.7%。实验表明,Kelex 100、正癸醇及组成的有机相选择性萃取Zn(II)和Cu(II);在萃取Cu(II)的最佳条件下,用Kelex100液液萃取经化学沉淀后仍微量残留Cu(II)的电镀工业废水,处理后Cu(II)可达标排放标准。其后,研制了树脂、活性炭、羟基磷灰石负载Kelex 100新型材料。基于载体吸附树脂的大孔网状结构、活性炭孔道结构和吸附作用及HAP的表面吸附、微孔吸附和羟基螯合作用,与Kelex 100强配位性能的作用相互影响,形成吸附-配位协同效应,用浸渍法制备树脂-Kelex 100、活性炭-Kelex 100及HAP-Kelex100新型负载材料,用增重法测定树脂、活性炭和HAP负载Kelex 100吸附材料中Kelex 100负载量分别为30.0%,35.3%和21.5%。IR表明,Kelex 100的非极性部分即烷基链被载体表面吸附得到稳定Kelex 100新型吸附材料,而Kelex 100分子中起配位作用的母体羟基喹啉仍保留必需的流动性;SEM显示,负载材料外观和形貌无明显差异,表明载体是否负载Kelex 100及新型材料是否富集金属离子,均不影响载体和萃取剂原有结构。新型材料固液萃取金属离子研究。用树脂-Kelex 100、活性炭-Kelex 100和HAP-Kelex 100吸附含Pb(II)、Cu(II)P、Zn(II)、Ga(III)和Ce(III)的原液,以单因素实验或正交实验确定最佳吸附条件,确定了含15.0 mg/L Kelex 100盐酸洗脱已吸附于树脂-Kelex100和活性炭-Kelex100上金属离子的最佳洗脱条件,树脂-Kelex100对Ga(III)、Ce(III)、Pb(II)、Cu(II)和Zn(II)吸附率分别为95.7%、96.8%、97.2%、99.1%和98.8%,洗脱率分别为94.9%、97.6%、94.2%、96.9%和95.7%,活性炭-Kelex 100对Ga(III)、Ce(III)、Pb(II)、Cu(II)和Zn(II)吸附率分别为97.9%、96.1%、98.4%、99.6%和99%;洗脱率分别为98%、98.9%、98.5%、98.7%和98.9%;HAP-Kelex 100对Ga(III)、Ce(III)、Pb(II)、Cu(II)和Zn(II)的吸附率均为100.0%;用三种新型材料分别对混合液中Cu(II)和Zn(II)竞争吸附,通过单因素实验或正交实验确定最佳吸附条件,最佳吸附条件通过调节水相p H,可依次去除水相Cu(II)和Zn(II),此条件下树脂、活性炭和HAP分别对混合液中的Cu(II)和Zn(II)进行竞争吸附,实验显示,空白载体吸附率均较低,难于作为深度处理混合液中的Cu(II)和Zn(II)的吸附剂。后期研究中,研发了HAP-Kelex 100高效吸附重金属离子方法。HAP-Kelex100新型吸附材料的HAP表面吸附、微孔吸附和羟基螯合减少了重金属离子螯合所需Kelex 100的配位数,而Kelex 100的配位作用增强了HAP对金属离子表面吸附、微孔吸附和羟基螯合的稳定性,由此形成高效去除重金属离子的吸附-螯合-配位协同效应;用HAP-Kelex 100对化学沉淀后仍残留低浓度含Cu(II)电镀工业废水进行深度吸附,处理后残余液中Cu(II)浓度低于仪器检测值下限,HAP和Kelex 100无毒无害及HAP-Kelex 100对金属离子极好吸附性能,可望用于饮用水和医药用水深度处理和稀贵金属离子极稀溶液富集。