环境材料与生态化学研究发展中心知识库

    近年来，多孔吸附材料因具有吸附容量高和吸附速率快等诸多优点，在水处理领域受到广泛关注。本论文以开发高性能多孔吸附材料为目标，采用溶液聚合相分离法制备了粒状凝胶吸附材料；采用天然中空木棉纤维导向模板法构筑了中空吸附材料；采用黏土矿物稳定的Pickering乳液模板法制备了结构可控的多孔材料。通过制备工艺的可控设计，实现了材料内部孔结构从无序到有序，显著提高了吸附容量和吸附速率。通过选用黏土矿物和天然高分子为原料，改善了材料的环境友好性，显著降低了材料的制备成本。通过构效关系研究，解决了多孔吸附材料可控构筑的关键科学和技术问题。具体研究结果如下：

    1.以天然高分子壳聚糖（CTS）为接枝骨架，分别以乙烯基咪唑（VIM）和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酸（AA）和对苯乙烯磺酸钠（SS）为共聚单体，在水相中通过自由基聚合法制备了CTS-g-P(VIM-co-AMPS)和（CTS-g-P(AA-co-SS)/ISC）两种粒状三维网络水凝胶吸附剂，并用于Hg²⁺和稀土离子Ce³⁺和Gd³⁺的吸附。研究表明，VIM的引入使吸附剂对Hg²⁺的吸选择性附提高，最大吸附量达到363.55 mg/g；CTS-g-P(AA-co-SS)/ISC对稀土离子Ce³⁺和Gd³⁺的吸附量分别为174.05和223.79 mg/g，吸附剂经脱附后可以再生利用。

    2.以天然中空木棉纤维（KF）为导向模板，在其内外表面接枝VIM和二甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDMA），制备出中空纤维状吸附剂KF@VIM/EGDMA。研究表明，吸附剂对Hg²⁺的吸附量高达696.87 mg/g，在50 min内即可达到吸附平衡，在较宽pH范围内保持较高吸附量，具有易分离和重复使用性好的优点。

    3.以凹凸棒石（ATP）为稳定粒子，吐温-20为助稳定剂，色拉油为油相，制备了中内相水包油Pickering乳液。以乳液为模板，通过羧甲基纤维素钠（CMC）与丙烯酰胺（AM）的接枝共聚反应制备了多孔吸附剂CMC-g-PAM/ATP。研究表明，多孔吸附剂的孔结构可以通过吐温-20、凹凸棒石粒子含量和单体比例进行调控。吸附剂对甲基紫（MV）和亚甲基蓝（MB）染料的最大吸附量分别达到了1585和1625 mg/g，15 min内即可达到吸附平衡，吸附剂具有很好的重复使用性能。

    4.以蒙脱石（MMT）和吐温-20协同稳定乳液，制备了水包亚麻酸油Pickering乳液，并用该乳液为模板制备了多孔CMC-g-PAM/MMT吸附剂。研究表明，蒙脱石、吐温-20含量和油水比例不仅会影响乳液性质，也会影响材料的多孔结构。材料的孔结构可以通过蒙脱石、吐温-20含量和油水比例进行调控。多孔材料在30 min内即可达到吸附平衡，对Pb²⁺和Cd²⁺的最大吸附量分别达到456.05 mg/g和278.11 mg/g。经过5次吸脱附循环，吸附剂仍然保持较高的吸附容量。

    5.以六种天然黏土矿物（CM：凹凸棒石、埃洛石、海泡石、蒙脱石、高岭石和伊蒙黏土）为稳定粒子，吐温-20为协同稳定剂，制备了油相体积为50%的中内相水包亚麻酸油乳液，并用该乳液为模板制备了多孔CMC-g-PAM/CM吸附剂。研究表明，黏土矿物类型对乳液性能和多孔材料的结构有较大的影响。一维纳米棒状结构黏土矿物稳定的乳液聚合易于形成具有丰富连通孔结构的多孔材料，材料的二级孔不会随粒子含量的增加而消失。二维片层结构的黏土矿物稳定乳液制备的多孔材料结构与黏土矿物的遇水膨胀性和黏度有关：遇水易膨胀的蒙脱石制备的材料，二级孔随着粒子含量的增加而消失；在水中不易形成粘稠乳液的黏土矿物稳定的乳液，适于制备具有丰富连通孔结构的多孔材料，粒子含量增加不会影响材料的二级孔结构。将不同黏土矿物制备的多孔材料应用于吸附Pb²⁺Cd²⁺，发现吸附速率则受多孔结构的影响较大，连通性较高的材料吸附速率较快。

    6.以凹凸棒石和吐温-20为Pickering乳液稳定剂，分别以亚麻酸油、菜籽油、花生油、葵花油、大豆油、玉米油、橄榄油和芝麻油作为分散相，制备了内相体积为50%的中内相水包油乳液，并以其为模板分别制备了CMC-g-PAM/ATP多孔材料。研究表明，油相种类对乳液的稳定性、乳液直径、多孔材料的结构和吸附性能影响不明显。八种植物油制备的多孔材料对Ce³⁺和Gd³⁺均可以在30min内达到吸附平衡，但吸附量没有明显差异。经过5次的吸脱附循环，材料表现出良好的重复使用性。