论文部分内容阅读
塑料具有价格低廉,使用方便和功能多样化等特点,已经被广泛应用于我们的日常生活中,给人类的生活带来了极大的便利。近几十年来,人们对于塑料的需求越来越大,从而刺激了塑料产业的极大发展,造成全球每年生产的塑料总量越来越多。然而,由于塑料的难降解性,造成大量的塑料垃圾长期滞留在环境中,从而引发一系列严峻的环境问题并且对经济发展极为不利的。因此,如何有效的处理废塑料污染问题是全世界范围内亟待解决的难题,基于其策略的探索以及材料的开发具有十分重要的意义。基于废塑料污染问题的处理,其策略主要有两种:（1）塑料的循环回收利用或者降解成具有经济价值的其他产品;（2）开发一种新型的易降解的塑料去替代传统的化学惰性塑料。因此,寻求能够有效地降解塑料方法,并将其进一步转化为具有经济价值的产品而又不会造成额外污染的策略以及合成和开发全新的易降解塑料替代传统的化学惰性塑料已经成为目前广大研究者的热点。另外,水体中微塑料的颗粒尺寸小,比表面积大,极易吸附大量的有机污染物,从而造成更严重的环境污染问题。因此,基于水体中的微塑料分离的研究对于处理废塑料污染问题也具有十分重要的意义。金属有机骨架（MOFs）是一类由金属离子和有机配体连接构成的多孔晶体材料,在气体的吸附和分离,催化,以及传感等方面具有十分重要的应用。MOFs在合成时常用的配体是对苯二甲酸,而聚酯类塑料的主要构筑单元也有对苯二甲酸。因此,将废弃的聚酯塑料转化成具有经济价值的多功能MOFs产品是十分可行的。由于MOFs具有多孔,纳米化,形貌可调以及可负载在各种基底上等特点,因此其在催化和吸附分离领域具有广阔的应用前景。通过改善和修饰MOFs来开发其在催化新型易降解塑料高分子的合成以及水体中微塑料的去除的应用对于处理废塑料污染问题提供了有效的方案。本论文中,我们基于MOFs材料的改善以及功能化修饰,提出了三种有效处理废塑料污染问题的措施,具体工作如下:（1）我们首次提出了一种通用的多酸诱导高效降解废弃聚酯塑料的方法,在降解聚酯类塑料的同时一步合成多酸基金属有机骨架材料（POMOFs）。该方法各种聚酯类塑料（包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT））以及各种多酸体系（包括钨多酸,钼多酸和钒多酸等）。在成功制备POMOFs的同时,可以实现接近100%的塑料降解效率。这种环境友好的方法制备的POMOFs可以高效地催化一系列环状碳酸酯化合物（聚碳酸酯塑料的前驱体）的合成,从而实现从一种废弃塑料到另一种新型塑料的转化。这种新型的方法结合目前日益严重的塑料污染问题,在工业级的废塑料处理领域中具有广阔的应用前景。（2）基于晶体缺陷工程的调控,我们合成了一系列多孔纳米球状的镧金属有机骨架材料（La-BTB）,并成功地将其作为非均相催化剂应用于γ-丁内酯（γ-BL）的开环聚合反应。通过纳米调控,这些的晶态材料被纳米化,赋予了好的形貌,实现了从棒状形态到多孔纳米球状的转变,产生了大量的活性中心,超高的孔隙率。该材料可以实现催化γ-BL的开环聚合反应,其催化产率约为25%,并且展现了优良的循环稳定性和可重复性。值得注意的是,在220℃下加热一小时,所得聚γ-丁内酯（PγBL）就可以完全的转化为单体,这说明PγBL具有易降解的特性,是一种生物相容性的可降解塑料。PγBL可以被广泛的应用和开发去替代传统的耐化学性强的塑料,可以减少传统塑料的使用量,这为废塑料污染的处理提供了一个绿色方案。（3）我们采用丙酮辅助法制备了一系列锆金属有机骨架（Zr-MOF）泡沫材料（Ui O-66-X@MF,X=H,NH2,OH,Br和NO2）,并成功地将其应用于水中的微塑性去除。将各种功能性Zr-MOF负载到三聚氰胺泡沫上,从而获得具有互穿的孔结构、MOF分散均匀、众多缺陷和耐久性的泡沫材料。这种泡沫材料不仅适用于水或海水条件下的微塑料有效去除,并且可以被应用到具有不同浓度以及各种类型的微塑料体系中。值得注意的是,其中性能最好的Ui O-66-OH@MF-3可以高效的去除微塑料,其效率高达95.5±1.2%,并且可以在10个循环以及大规模过滤实验中保持高的性能。此外,我们还提出了一种以太阳能为动力的自动过滤装置,并且在实验室规模内实现该装置的搭建。将这些具有高性能的泡沫材料与自动过滤装置的新理念相结合,对于开发新型的微塑性去除技术提供了有力的帮助,为未来解决海洋塑料污染问题提供有效的建议。