基于吡啶基团功能化的铅印迹介孔硅材料的制备及其吸附性能的研究

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重金属铅离子毒性高,在环境中持续时间长并且具有生物累积性,严重损害人体健康。因此,从废水中有效的去除铅离子就变得至关重要。目前,已用于实际去除铅离子的方法有沉淀法、离子交换法、膜过滤法等。但这些方法往往具有前处理复杂、选择性差等问题。因此,建立可靠的高效、高选择性的分离去除铅离子的方法具有非常重要的意义。离子印迹技术是一种对特定目标离子具有选择性识别的实验技术。本论文制备了三种类型的材料:含氮三齿类和含硫多齿类功能单体功能化的铅离子印迹介孔硅材料。将功能化的介孔硅材料用作固相吸附剂来选择性分离铅离子,并与电感耦合等离子体原子发射光谱(inductively coupled plasma-atomic emission spectrometer,ICP-AES)联用,实现了对河水以及工业废水中铅离子的去除和检测。详细工作包括以下三个方面的内容:1.设计并合成了两种含氮三齿类配体修饰的铅离子印迹介孔硅材料印迹材料分别以三齿的二甲基吡啶胺(BPMA)和双吡啶-2-亚甲基胺(DIPA)作为功能单体,铅离子为模板,3-氯丙基三乙氧基硅烷为交联剂,介孔硅材料MCM-41做为固相载体,采用表面印迹技术,经模板洗脱后分别得到铅离子印迹介孔材料BPMA-Pb-IIMS和DIPA-Pb-IIMS。经红外光谱证明了功能单体已成功修饰于介孔硅材料的表面;扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线小角衍射(XRD)和氮气吸附脱附(BET)等表征均证明所制备的材料保持原有介孔硅MCM-41的形貌特征。通过元素分析表明BPMA-Pb-IIMS具有更高的含氮量。此外,两种相应的非印迹材料也成功制备。2.铅离子印迹介孔硅材料吸附性能研究及在水样分析中的应用分别对铅印迹介孔硅材料及相应的非印迹材料在饱和吸附量、吸附动力学和选择性方面进行了考察,表明印迹介孔硅材料对铅离子的吸附容量和选择性明显高于非印迹材料。通过吸附静态学拟合等温曲线,发现吸附行为符合Langmuir等温模型。通过吸附动力学数据拟合动力学曲线,吸附模型为准二级动力学。其中,BPMA-Pb-IIMS具有最优的吸附性能及优良的可循环能力。因此,选取BPMA-Pb-IIMS为最佳吸附材料,并与电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)联用,对工业废水中的痕量铅离子进行吸附去除,检出限为0.041μg L-1,去除率达到98.4%以上。该研究结果为选择性分离和检测水中铅离子提供了较为有效的方法。3.氮,硫多齿类配体修饰的铅离子印迹介孔硅材料的合成及表征基于以上含氮三齿类配体,我们在功能基团上引入硫原子,合成一个既有硫原子又有氮原子的多齿类功能单体。选择(吡啶-2-亚甲基)肼硫代甲酰胺(PYHC)作为螯合配体,铅离子为模板,3-氯丙基三乙氧基硅烷为交联剂,介孔硅材料MCM-41做为固相载体,采用表面印迹技术,经模板洗脱后得到印迹介孔硅材料PYHC-Pb-IIMS和相应的非印迹材料PYHC-NIMS。经红外光谱证明功能单体和配合物均已成功合成并且修饰到介孔硅材料的表面,对合成材料的吸附性能包括等温吸附模型,吸附动力学曲线和循环性能分别进行了研究,结果发现与三齿单体功能化的铅印迹材料相比,PYHC-Pb-IIMS多齿类功能化的铅印迹材料在吸附量上具有更加优异的表现。
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