聚多巴胺表面功能化及其对水中PFOS分离富集性能研究

发布时间：2020-05-03 20:45

【摘要】：由于Fe_3O_4具有生物相容性和超顺磁性,受到了众多科学研究者的青睐。将其作为吸附剂的内核,在其表面构建功能化的有机壳层,一方面可以提高Fe_3O_4的稳定性;另一方面,可以解决目前吸附剂存在的固液分离耗时耗力、吸附容量小、传质速率慢、吸附选择性不够以及吸附剂难以回收等缺点。本文以Fe_3O_4为内核,开展了核壳型结构吸附剂的制备,并将其应用于持久性有机污染物全氟辛基磺酸盐(PFOS)的分离富集。主要研究成果如下:以六水合氯化铁为铁源,乙二醇为溶剂和还原剂,醋酸钠为沉淀剂,聚乙二醇为表面活性剂,通过溶剂热法制备了Fe_3O_4微球。通过调控反应温度、反应时间和铁源浓度调控Fe_3O_4微球的均一性、分散性和粒径。于六水合氯化铁、醋酸钠和聚乙二醇的质量分别为5.4、4.8和1.5g,乙二醇为60mL,反应时间为8h,反应温度为180℃的条件下,制备得到了粒径均一、分散均匀、形貌良好的Fe_3O_4微球。再利用多巴胺在碱性溶液下的自聚氧化反应,在Fe_3O_4微球表面包覆一层聚多巴胺,通过调控多巴胺浓度和聚合时间来调控制备的Fe_3O_4@PDA分散性以及包覆层厚度。在多巴胺加入量为50mg,聚合时间为12h时,成功制备出了壳层厚度为20nm,分散均匀,粒径均一的Fe_3O_4@PDA微球。通过透射电子显微镜、红外吸收光谱、振动样品磁强计、X射线光电子能谱对制备的Fe_3O_4和Fe_3O_4@PDA微球进行了表征。针对目前PFOS分子印迹聚合物的制备技术流程复杂,并且引入了有毒有害的有机溶剂等问题,以Fe_3O_4为内核,水作溶剂,利用多巴胺作为交联剂,多巴胺中的氨基和羟基作为双功能单体,成功一步聚合制备出了超顺磁性核壳型的Fe_3O_4@MIPDA微球。通过扫描电镜和透射电镜表征可知,制备出的Fe_3O_4@MIPDA粒径均一,分散良好并且MIP层厚度均匀。通过吸附动力学、吸附等温线和选择性实验,考察了Fe_3O_4@MIPDA的吸附性能,其对PFOS显示出了特异性吸附能力,这种选择性来源于模板分子的大小和带电性。将其应用于PFOS的分离富集,一方面,由于其较薄的MIP层,使其具有了快速提取和洗脱PFOS的能力;另一方面,由于Fe_3O_4具有较强磁性,在完成PFOS选择性富集后,可以实现快速的固液分离,弥补了传统SPE方法操作繁琐、耗时耗力的缺点。针对目前核壳型磁性碳微球分散性较差,碳层厚度不均匀,以及比表面积小,吸附容量低的问题,以Fe_3O_4@PDA为基底材料,利用聚多巴胺上的羟基、亚氨基和氨基吸附葡萄糖水热过程中产生的中间产物,成功制备出了粒径均一、分散均匀以及壳层厚度均匀的双核壳结构的Fe_3O_4@PDA@C。并进一步对其退火和KOH活化,保持其良好的核壳型形貌的同时,成功的制备出了具有高比表面积以及介孔结构的Fe_3O_4@PDA@C-K微球,其比表面积达到了266.672m~2·g~(-1),并且引入了部分羟基。考察了Fe_3O_4@PDA@C-K对水体中PFOS的吸附性能,实验结果表明Fe_3O_4@PDA@C-K具有高吸附容量和高传质速率。将其作为磁性固相萃取(MSPE)的吸附剂富集PFOS,建立了高灵敏度、高精密度和较宽的线性范围的PFOS分析方法,并成功应用于实际水样的分析检测。
【图文】：

图 1-1 微乳液法制备 Fe3O4纳米颗粒[12]1.1.1.2 化学共沉淀法化学共沉淀法[13-15]是指两种或多种阳离子以均相存在于溶液中，之后加入沉淀剂经沉淀反应后，制备得到各种成分均一的材料，它是制备复合氧化物超细粉体（含有两种或两种以上金属元素）的重要方法。这种工艺流程为：在惰性气体氛围中，将二价铁盐溶液和三价铁盐溶液按一定比例混合，在室温或加热条件下滴加碱溶液，其反应机理如下：该方法可分为两种，一种是滴定水解法，另一种是 Massart 水解法。其中，产物的形貌，尺寸和组成受 Fe2+/Fe3+比例、反应时间、反应温度、体系 pH 以及碱溶剂类别影响。Qiu 等[16]以化学沉淀法制备了 Fe3O4纳米粒子，通过不同 NaCl 的投加量来研究离子强度对该方法的影响，结果表明较高的离子强度会降低 Fe3O4纳米粒子的尺寸和磁性。化学共沉淀法作为相当成熟的制备方法，此方法拥有众多的优点，FeFeOHFeOHO34223 2 8 4

的双键引入到磁性复合材料表面，最后通过微乳液聚合得到 Fe3O4@SiO2@PS 复合材料。Morel 等[37]在超声的辅助作用下，利用改进的方法成功的合成了 Fe3O4@SiO2磁性核壳颗粒。研究发现，在 20 KHz 的超声波中，大大的加快了整个包覆反应，并且极大的改善了磁性颗粒的分散性，得到的产物没有出现团聚情况。1.2 聚多巴胺简介在 2007 年聚多巴胺作为一种新型涂料成为人们关注的焦点，到 2013 年已经有大量关于聚多巴胺研究的文献发表，其发展历程如图 1-2 所示。聚多巴胺的主要优点是它可以很容易地沉积在几乎所有类型的无机和有机基材上，，包括超疏水表面，具有可控的薄膜厚度和持久的稳定性，并且制备过程简单环保，成本较低[38,39]。因此，聚多巴胺开辟了修饰各种底物的新途径，并刺激了广泛的研究。其在药物运输、骨和组织应用、生物分子的固定、分子印迹技术催化剂载体和吸附剂等领域均有广泛应用[40]。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703;O647.33

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本文编号：2648098