【摘 要】
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微孔有机聚合物(MOPs)是一类具有永久性孔结构的新型固体吸附材料,由于其具有高比表面积(Brunauer-Emmett Teller,BET)、低骨架密度、耐酸碱、高的物理化学稳定性等优点,常用于气体分离、电化学、气体储存、催化等领域。多孔有机聚合物的合成方式多种多样,并且孔径可调,易用官能团进行修饰,因此,在应用时常常比其他各类固体吸附材料更有优势。虽然MOPs具有以上一系列的优点,但是其工业
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微孔有机聚合物(MOPs)是一类具有永久性孔结构的新型固体吸附材料,由于其具有高比表面积(Brunauer-Emmett Teller,BET)、低骨架密度、耐酸碱、高的物理化学稳定性等优点,常用于气体分离、电化学、气体储存、催化等领域。多孔有机聚合物的合成方式多种多样,并且孔径可调,易用官能团进行修饰,因此,在应用时常常比其他各类固体吸附材料更有优势。虽然MOPs具有以上一系列的优点,但是其工业化广泛应用却仍需进一步提高。原因是合成MOPs大多需要价格高昂的金属催化剂,或者需要高温高压等苛刻的实验条件,不利于工业化批量生产,使其在实际应用方面受到了很大的限制。放射性碘129I和131I来源于核废物和放射性医学诊断废物,其挥发性极强,具有很长的半衰期,一旦摄入人体,就有致畸和致癌风险,因此,吸附和分离这类高危物质一直是科学界的难题。研究证明,在聚合物网络中引入富电子基团可以增加多孔材料对碘的亲和力,因此,在本文中,制备了一系列的富电子吲哚基多孔有机聚合物,应用于挥发性碘单质及其作为溶质在有机溶液和水溶液中的捕获和吸附,以期为在解决核工业放射性废物这个世纪难题时提供有利的方法和数据。具体研究如下:1)吲哚基微孔有机聚合物(IMOPs)由两种单体采用两种合成方法制备,最终合成出四种吲哚基微孔聚合物材料。合成方法(1):三吲哚单体(TIBB)/二吲哚单体(BIPA)以三氯化铁为催化剂,在室温下发生分子间的氧化偶联反应,形成超交联网络PTIBB和PBIPA;(2)TIBB/BIPA在三氯化铁的催化下,与交联剂二甲氧基甲烷(FDA)在80oC条件下发生傅-克烷基化反应,形成超交联网络PTIBBL和PBIPAL。在整个反应过程中,不需要昂贵的催化剂,也不需要苛刻的实验条件,合成过程简单且条件温和,为工业化提供了条件。然后对IMOPs进行了一系列的表征,如红外、核磁、热重、扫描、透射、孔径参数测试等。2)以合成的四种IMOPs为吸附剂,研究了不同形貌和不同BET的吲哚基多孔材料对挥发性碘的捕获性能,并对其循环利用性能进行了研究。结果表明,虽然PTIBB的比表面积仅仅只有233.707(m2/g),在这四种聚合物中,仅排第三,但是其对挥发性碘的吸附值可高达254 wt%。通过分析发现,形貌是影响气体碘捕获的主要因素,具有中空纳米管结构的PTIBB和PBIPA的碘捕获量均比纳米颗粒状的PTIBBL和PBIPAL高。此外,吲哚基多孔材料循环利用效果显示,经过五次循环后,材料仍保持着初始碘捕获量的80%左右的捕获能力。3)用环己烷和水溶液作溶剂,以四种IMOPs为吸附材料,分别研究了其对不同溶液中(环己烷/碘、水/碘)碘的吸附行为,深入探究了吲哚基微孔材料对碘溶液的吸附动力学和吸附热力学。在两种吸附动力学模型中,拟合出的曲线中线性程度最好的是准二级动力学。在两种热力学模型中,更符合材料对溶液中碘吸附热力学过程的模型为Langmuir吸附等温模型。利用吉布斯自由能方程对吸附过程拟合,结果显示,升高温度可以促进材料对碘的吸附,且该过程自发、不可逆。
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