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吸附分离是自然界中普遍存在的一种现象,具体是指固体、液体或气体分子通过各种相互作用(氢键、化学键合、静电作用、范德华力、偶极-偶极相互作用力)在材料表面形成不同强度的结合而达到分离的过程。传统的吸附分离材料可以广泛的应用于各个领域,具有很广泛的普适性,但特异性的吸附分离功能极差。因此,研究制备具有特异选择性、吸附性和功能性的吸附分离材料,并将其应用于化合物的分离以及环境净化和监控等方面是很有意义的。 针对目前吸附分离材料存在的局限性,本论文着眼于环糊精主客体相互作用的超分子化学,设计并构筑了几种具有特异选择吸附性和功能性的吸附分离材料,同时对其吸附分离机理也分别进行探讨。 1.基于环糊精主客体识别的手性分离磁性材料: 我们首先利用共价键将6位羟基全取代为三异丙基硅烷的β-环糊精接枝到磁性纳米粒子表面,成功制备具有磁响应性的手性分离材料。研究结果表明:由于磁性纳米粒子引入到手性分离材料中,材料表现出超顺磁性能和快速的磁响应性能,在外界磁场作用下,材料在10s内能够迅速与溶剂进行分离。基于环糊精的主客体识别作用,该材料对1-(1-萘基)乙胺手性分离效果能达到65%;当材料分离1-(1-萘基)乙胺后,在特定条件下,客体分子能与环糊精发生解包合,材料就可再次进行手性拆分;循环使用三次后,该磁性材料对1-(1-萘基)乙胺的手性分离效果仍然能保持最初分离效果的70%。因此,该磁性材料在手性分离领域的应用具有重要地位。 2.基于环糊精构筑的金属有机框架材料对甲醛的有效吸附: 利用γ-环糊精的羟基与碱金属离子之间的配位作用,构筑了具有多孔结构的金属有机框架材料(γ-CD-MOF-K),研究了材料对甲醛的吸附行为,深入探讨了材料对甲醛吸附的机理。研究表明:基于材料的多孔结构、环糊精的主客体识别作用以及氢键相互作用力,该金属有机框架材料对甲醛具有特异吸附效果,吸附速率快、饱和吸附量高,其饱和吸附量比活性炭高9倍。材料对甲醛的吸附是一种自发进行的单分子层的物理吸附行为,其吸附行为受温度、甲醛浓度和MOF材料种类等因素的影响。该金属有机框架材料除了对甲醛具有良好的吸附效果外,对二氧化硫、氯化氢等极性气体也具有一定的吸附效果。由于这种特殊吸附行为,该材料在空气环境净化领域具有广阔的应用前景。 3.基于静电纺丝技术构筑高效的空气过滤膜: 利用静电纺丝技术将聚乙烯醇(PVA)和β-环糊精的混合溶液构筑为多孔的纳米纤维膜,并将该纤维膜材料用于空气污染物的吸附(包括悬浮微粒(Particulate matter2.5简称:PM2.5)和一些气体污染物)。研究表明:当纳米纤维膜的面密度大于0.5mg/cm2时,在高流速和低流速条件下,材料对PM2.5的移除率都能达到99%以上。通过对吸附机理的探讨,PM2.5可以与PVA和环糊精上的羟基发生相互作用,因而PM2.5能够被快速高效的去除。该材料除了能够快速高效的移除PM2.5外,对二氧化硫和甲醛等气体污染物也具有良好的吸附效果。由于纳米纤维膜的多孔性和环糊精的稳定空腔结构,该纳米纤维材料具有比商品化滤膜更优良的透气性能。基于材料对空气污染物的高效移除效果和良好的透气性能,该材料在空气环境的净化中具有潜在的应用价值。 4.湿法纺丝技术构筑PM2.5吸附材料: 湿法纺丝技术是构筑纤维材料最广泛使用的方法之一,也是工业化生产中最常用的纺丝技术。我们将聚乙烯醇(PVA)和β-环糊精的混合溶液,通过湿法纺丝技术构筑了湿纺纤维,再通过热压的方法将湿纺纤维构筑为多孔纤维膜材料,并将其应用于PM2.5颗粒的吸附,为该材料在实际生活中的应用提供了途径和方法。研究结果表明:当纤维材料的面密度大于30mg/cm2时,在3L/min和0.3L/min条件下,材料对PM2.5的移除率都能达到99%。由于纤维材料的多孔性和环糊精的空腔结构,该材料具有良好的透气性能。基于材料对污染物良好的移除效果和高的透气性能,以及湿法纺丝技术的生产规模性,该材料有望在空气净化领域发挥重要的实际应用价值。