表面固載離子液體材料的制備及其對痕量重金屬離子的選擇性吸附.pdf

1、重金屬離子在環(huán)境中長期存在，且生物難降解，低濃度時也會通過生物富集作用，最終進(jìn)入人體，嚴(yán)重危害人類健康。因此，環(huán)境水體中痕量重金屬離子的高靈敏檢測和去除就顯得尤為重要。離子液體是近年來受到廣泛關(guān)注的一類具有特殊性能的物質(zhì)，它具有極低蒸汽壓、溶解性好、萃取能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)可設(shè)計等多種優(yōu)點(diǎn)，可替代傳統(tǒng)的揮發(fā)性有機(jī)溶劑，應(yīng)用于重金屬離子的萃取分離。但由于離子液體價格較貴，作為萃取溶劑直接使用時用量大、成本高，易溶解損失進(jìn)入水體造成污染，

2、而且需要繁瑣的產(chǎn)物分離過程，從而限制了離子液體的實(shí)際應(yīng)用。
　　將離子液體固載后使用不僅可以保留離子液體的優(yōu)良特性，顯著減少離子液體的用量，防止離子液體的流失，又能發(fā)揮固體載體的優(yōu)勢，加快傳質(zhì)速率，便于分離回收及循環(huán)利用，非常適合于水中痕量重金屬離子的分離富集和深度處理。正是由于這些原因，固載離子液體作為新型吸附劑用于重金屬離子去除，成為離子液體新材料研究的前沿領(lǐng)域之一。基于以上原因，本文合成了三種對Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)和Cd(

3、Ⅱ)具有選擇性吸附性能的固載離子液體材料，考察了各種因素對重金屬離子吸附性能的影響，探討了吸附機(jī)理及其與結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系，并將這些材料用于水中痕量重金屬離子的固相萃取分離富集與吸附去除。論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　1.制備了1-羥乙基-2，3-二甲基咪唑氯離子液體功能化的磁性碳納米管材料，采用X-射線衍射(XRD)、傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(FT-IR)、透射電子顯微鏡(TEM)和熱重分析(TGA)等手段對材料的結(jié)構(gòu)、形貌和表面官

4、能團(tuán)進(jìn)行了表征。研究了材料對Cr(Ⅵ)的吸附選擇性、吸附容量、吸附平衡時間等性能參數(shù)，考察了溶液pH、溫度、濃度等條件的影響。對Cr(Ⅵ)的吸附過程進(jìn)行了熱力學(xué)和動力學(xué)分析，提出了可能的吸附機(jī)理，并考察了材料的回收和再生方法，建立了水中痕量Cr(Ⅵ)的選擇性吸附去除方法。該方法可有效吸附水中濃度低至0.028 mg L-1的Cr(Ⅵ)，最大吸附量為55.4 mg g-1，性質(zhì)相近離子如Hg2+，Cd2+和Cu2+以及水中常見陰離子如NO

5、3-、SO42-和Cl-等不干擾吸附過程。在對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，提出了Cr(Ⅵ)吸附的離子交換機(jī)理。材料在吸附Cr(Ⅵ)后可利用外加磁鐵在20 s內(nèi)從水中快速分離回收，洗脫再生重復(fù)使用4次后吸附率仍保持在95％以上。所制備的固載離子液體材料是一種良好的Cr(Ⅵ)吸附劑，可有效吸附溶液中痕量的Cr(Ⅵ)，達(dá)到固相萃取和水的深度凈化的目的。
　　2.采用化學(xué)鍵合方法，將中性紅分子嫁接到了具有核-殼結(jié)構(gòu)的磁性硅膠表面，制備了具有離子

6、液體結(jié)構(gòu)的中性紅鍵合磁性硅膠固相萃取劑。采用多種技術(shù)對材料的結(jié)構(gòu)、表觀形貌和表面官能團(tuán)進(jìn)行了分析，考察了材料對Hg(Ⅱ)的磁固相萃取性能，測定了固相萃取劑的多個技術(shù)參數(shù)，研究了吸附機(jī)理和共存離子的干擾影響，提出了回收再生方法，建立了磁固相萃取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法(MSPE-ICP-MS)測定水中痕量Hg(Ⅱ)的方法。所制備的材料可以有效萃取水中濃度低至2μg L-1的Hg(Ⅱ)，最大富集倍率高達(dá)100倍，吸附量可達(dá)到83.7 mg

7、g-1，其它和Hg(Ⅱ)性質(zhì)相近的離子或水中常見離子均不干擾Hg(Ⅱ)的萃取。使用后的材料可通過外加磁鐵方便地從水中回收，表面吸附的Hg(Ⅱ)可用1 mol L-1的HNO3洗脫，材料可重復(fù)使用至少十次，具有良好的穩(wěn)定性和再生性能。在對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上提出了Hg(Ⅱ)萃取的配位和靜電作用機(jī)理。最后將該方法用于實(shí)際環(huán)境水樣中Hg(Ⅱ)的測定，回收率在94.7％-110.9％之間，效果滿意。所制備的材料是一種良好的Hg(Ⅱ)磁固相萃取劑

8、，具有潛在的應(yīng)用前景。
　　3.設(shè)計了液-液均相反應(yīng)制備功能化離子液體固載納米硅膠材料的方案，該方法可有效提高新材料的吸附活性位點(diǎn)，從而改善其吸附性能。利用不同手段對新材料的結(jié)構(gòu)、表觀形貌和表面官能團(tuán)進(jìn)行了表征，考察了14種離子和腐植酸對材料的吸附選擇性的影響，系統(tǒng)研究了酸度、溫度、濃度、材料用量等條件對吸附性能的影響，通過對材料的吸附熱力學(xué)和吸附動力學(xué)分析，討論了吸附機(jī)理，并對材料的再生和重復(fù)利用進(jìn)行了考察。研究結(jié)果表明，材料對

9、Cd(Ⅱ)具有較高的吸附靈敏度、選擇性和較大的吸附容量。即使水中Cd(Ⅱ)的濃度高達(dá)0.3 mg L-1時，吸附后溶液中Cd(Ⅱ)濃度仍低于USEPA建議的飲用水中Cd(Ⅱ)的濃度，最大吸附量為112.13 mg g-1。與Cd(Ⅱ)性質(zhì)相近的金屬離子或水中常見離子如Cu2+，Zn2+，Pb2+，Co2+，Ni2+，Hg2+，NO3-，Cl-和SO42-等不干擾Cd(Ⅱ)的吸附。對Cd(Ⅱ)的吸附主要是官能團(tuán)的配位機(jī)理。材料表面吸附的C