功能化介孔复合材料的设计合成及其对水中抗生素类污染物的吸附研究

发布时间：2020-10-29 11:50

　　 抗生素是一种新兴的、重要的环境污染物类型,已对人类健康和生态系统构成严重的威胁,因此近年来对抗生素的去除技术研究在科学界引起广泛的关注。目前已有许多方法被应用于去除水中的抗生素,如氯化法、先进氧化技术、生物降解法、吸附法等。在这些方法中,吸附法由于操作简单、成本低、效率高、不存在高毒性副产物等优点而受到越来越多的关注。介孔二氧化硅因其高的比表面积、大的孔体积、规则可控的孔径以及相互连通的框架等优点,被广泛应用于吸附去除无机和有机有害污染物。然而,由于抗生素的特殊性质,未功能化的介孔二氧化硅对抗生素的去除能力有限。为了获得性能更优异的吸附材料,在本论文中,我们设计合成了几种新型的介孔二氧化硅复合材料,并对其吸附抗生素的性能进行研究,本论文主要包含以下两个部分:第一部分:将溶剂热法、溶胶-凝胶法、模版法以及表面修饰法相结合,制备了环糊精修饰的磁性核壳结构介孔氧化硅复合材料Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2-CD。Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2-CD具有球型形貌和良好的分散性,径向垂直且开放的介孔孔道为抗生素的吸附提供大量空间,环糊精修饰的表面与抗生素分子之间可形成范德华力、氢键、静电作用、疏水作用和立体位阻等多重相互作用,提高材料对抗生素的吸附亲和力,同时该材料可通过外加磁场作用进行分离和回收,其对盐酸强力霉素的最大吸附量为78 mg/g,多次循环使用后仍保持良好的稳定性。第二部分:使用溶胶-凝胶法和水热法相结合制备介孔氧化硅-氧化锌复合材料mSiO_2-ZnO,该合成方法简化了现有介孔复合材料的合成步骤,同时也保持了材料开放的孔道和高比表面积,ZnO的引入有效调控了材料的表面性质,为抗生素的吸附提供更多的活性位点。结果显示,mSiO_2-ZnO对100 mg/L的盐酸强力霉素溶液完全达到吸附平衡仅需90 min,mSiO_2-ZnO的最大吸附量为104 mg/g,物理吸附和化学吸附在这个体系中同时发挥着作用。
【学位单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X703;TB33
【部分图文】：

图 1.1 β-环糊精的空间结构图（A）及分子结构式（B）糊精（cyclodextrin，简称 CD）是直链淀粉在由芽孢杆菌产生的环糊精酶作用下生成的一系列环状低聚糖的总称，通常含有 6-12 个 D-吡喃葡中被研究者研究得较多并且具有重要实际含义的是 α-、β-、γ-环糊精，、7、8 个吡喃葡萄糖单元组成。如图 1.1 所示，环糊精的分子呈上窄下、中空的截顶圆锥空间立体结构，腔内部呈相对疏水性，由于环糊精空羟基的存在，因此外腔呈亲水性[35,36]。于环糊精分子独特的外缘亲水而内腔疏水，因而它能够像酶一样提供一部位，作为主体包络各种适当的客体，如有机分子、无机离子以及气体分客体超分子包合物[37-41]。通常来说，环糊精其内腔疏水而外部亲水的特范德华力、疏水相互作用力、主客体分子间的配合作用等与许多有机和包合物及分子组装体系，成为化学和化工研究者感兴趣的研究对象。因离、食品及药品等领域中，环糊精受到了极大的重视和广泛应用[42-45]

图 1.2 四种典型抗生素的分子结构目前针对水中抗生素的处理一般采用氯化氧化法、高级氧化法和吸附法等。相比，吸附法是一种非破坏性的污染物去除法，不会因降解不完全而产生毒性中物，同时该方法还具有简单易行、安全、成本低和污染物脱除率高等特点[48]，且生素与金属复合物污染物的去除也具有良好效果。理想的吸附材料应该具有：（1）高比表面积，可提供更多的吸附位点，增大量；（2）适宜的孔径和孔径分布，吸附剂的孔径大小需要与污染物分子的几何尺匹配，当孔径和污染物分子直径为 1.7-3 时，吸附剂的利用率最高；（3）合适的化学结构，可增强吸附剂和污染物分子之间如静电、氢键等作用力。为了获得去除抗生素类污染物的高性能吸附材料，国内外学者做了大量工作前使用较多的功能吸附材料包括碳质吸附剂、聚合物多孔树脂类[49]和介孔材料等。相比于其他吸附材料，介孔材料更符合理想吸附材料的要求[52]。规则有序且控的孔径和孔道结构，可为污染物的吸附提供更多空间和扩散通道。表面化学结据实际需要进行功能化设计，有利于进一步提高吸附性能。同时，介孔材料还具

名称 规格 生产厂家合柠檬酸三钠 A.R. 国药集团化学试剂无水乙醇 A.R. 国药试剂化（NH3 H2O） 28 %-30 % 阿拉丁试酸乙酯（TEOS） ≥99.0 % 阿拉丁试甲基溴化铵（CTAB） ≥99.0 % 阿拉丁醇胺（TEA） ≥99.0 % 阿拉丁环己烷 A.R. 北京试剂化三甲氧基硅（APTMS） ≥97 % 阿拉丁-环糊精（MCT-β-CD） ≥97 % 西安永泰生物科技（Zn（NO3）2 6H2O） 99.0 % 西陇化工股份有力霉素（DOX） ≥98 % 美国 Sigma 化钠（NaOH） A.R. 国药集团化学试剂盐酸（HCl） A.R. 国药集团化学试剂NaCl A.R. 国药集团化学试剂CaCl2A.R. 国药集团化学试剂强力霉素的结构式酸强力霉素（DOX）的分子结构式及主要的理化性质见
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本文编号：2860860