BPS有序介孔材料的制备及其对含苯有机污染物的吸附行为

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随着现代工业的高速发展,工业废水量逐年增多,而这些工业废水中大多含有难降解的有机污染物(POPs),容易造成环境污染,进而危害人体健康。因此,如何去除POPs是当下世界性工业化城市共同面临的一个难题。本文研究的桥联倍半硅氧烷(BPS)有序介孔材料具有吸附POPs的能力,它以有机桥联三乙烷基[(R’O)3Si-R-Si(OR)3]为有机硅的先驱体,采用了溶胶-凝胶法和模板法分别形成高度有序的两类不同结构(六方和立方)的介孔材料,并对BPS材料进行了吸附实验,研究显示BPS有序介孔材料能有效的吸附POPs,这在水处理研究领域预期具有重要的理论价值,在环保领域有着可观的应用前景。采用溶胶-凝胶法,在四氢呋喃溶液中,以甲酸为催化剂,(EtO)3Si(CH2)3NH-CONH(CH2)11CH3为单体,通过水解缩合,合成了双缩脲桥联基BPS六方有序纳米介孔材料。双缩脲基团之间的氢键及尾对尾连接有机链通过BPS自组装形成了纳米棒状结构。把超薄碳膜上沉积的BPS胶体浸没在甲醇里面,待室温干燥后,纳米BPS粒子形成咖啡环状结构。采用红外、核磁硅谱、小角X射线衍射、透射电镜、高分辨透射电镜、选区电子衍射等实验仪器对合成的纳米棒状结构进行了测试表征。结果显示双缩脲基BPS有序介孔材料具有六方有序纳米结构,高的比表面积和较窄的孔径分布。采用两种模板合成法,一种是在酸性条件下,以甲烷基、乙烷基、己烷基、辛烷基、苯基和联苯基三乙氧基硅烷为先驱体,聚(氧乙烯)十六烷基醚(Brij56)为模板剂,合成了空间群为Pm3n的三维BPS立方有序介孔材料;另一种是在碱性条件下,以1,6-二(三乙氧基硅烷基)己烷(BESH)为先驱体,N-(3-三甲基氨丙基)十六铵二溴和十六烷基三甲基溴化铵为模板剂,合成了空间群为Pm3n的三维BPS立方有序介孔材料。采用小角X射线衍射和透射电镜等手段对样品进行了测试表征。酸性及碱性条件下合成的BPS材料具有高度有序的立方介孔结构、高的比表面积和狭窄的孔径分布。另外,老化时间、老化温度、BESH的浓度、去离子水及氢氧化钠摩尔量,均影响己烯基BPS材料介孔相的形成及其表面的结构性能。利用合成的BPS有序介孔材料分别对含苯有机污染物(硝基苯、2,4-二氯苯酚(DCP)、芘和菲)进行了吸附实验。采用高效液相色谱、紫外可见分光光度计等仪器对实验结果进行了测试分析。研究表明:联苯基及苯基的BPS介孔材料比双缩脲基、己烯基和辛烯基的BPS有更高的吸附量;BPS有序介孔材料的疏水性能对芘、菲、硝基苯和DCP等POPs的吸附起主要作用,π–π键和氢键作用次之。同时,POPs的辛醇水分配系数(Kow)、溶剂性能和分子尺寸等对BPS有序介孔材料吸附芘、菲、硝基苯和DCP有一定影响。BPS有序介孔材料对含苯有机污染物(菲、DCP和硝基苯)的竞争吸附主要受孔阻断和吸附位点的影响。对己烯基BPS有序介孔材料竞争吸附菲、DCP和硝基苯进行了吸附机理研究。采用高效液相色谱、紫外可见分光光度计等仪器对实验结果进行了测试分析。研究表明:经过7d的竞争吸附实验,己烯基BPS有序介孔材料对菲和DCP及菲和硝基苯竞争吸附的饱和吸附量均下降了;较大的介孔孔体积能够减轻孔阻断的影响;含苯有机污染物的分子重量差异也会导致不同程度的孔阻断。此外,理论模型和数值公式解释了观察到的孔阻断和位点竞争吸附现象。
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