基于8-羟基喹啉型功能接枝微粒制备金属离子表面印迹材料及其离子识别与结合特性研究

发布时间：2017-04-30 14:01

  本文关键词：基于8-羟基喹啉型功能接枝微粒制备金属离子表面印迹材料及其离子识别与结合特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本研究采用氨基-过硫酸盐氧化还原引发体系,通过表面引发接枝聚合法，将单体甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）接枝于微米级硅胶微粒表面，制备了接枝微粒PHEMA/SiO_2，然后将8-羟基喹啉(HQ)基团键合在接枝大分子侧链,使接枝大分子PHEMA实现了8-羟基喹啉功能化转变,制得了表面含有高密度HQ基团的功能接枝微粒HQ-PHEMA/SiO_2，在此基础上，采用新型离子表面印迹技术，制得重金属离子和稀土离子表面印迹材料，并采用静态与动态两种方法研究了印迹材料对重金属离子和稀土离子的识别结合特性。本课题以离子印迹聚合物作为固体吸附剂，选择吸附水介质中的重金属离子和稀土离子，在环境保护、分离纯化及湿法冶金等科学与工业技术领域，都有着重大的科学意义，并将有广阔的应用前景。 首先利用γ-氨丙基三甲氧基硅烷（KH-540）对硅胶微粒进行表面改性，制得改性微粒AMPS-SiO_2;使改性微粒表面的氨基与溶液中的过硫酸盐构成氧化-还原引发体系,实施了单体甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)在硅胶微粒表面的高效引发接枝聚合,制得了接枝微粒PHEMA/SiO_2。采用红外光谱(FTIR)法、热失重法（TGA）及扫描电子显微镜（SEM）等方法，对改性微粒AMPS-SiO_2和接枝微粒PHEMA/SiO_2进行了表征。考察了主要接枝聚合条件对HEMA接枝聚合反应过程的影响，结果表明，在表面引发接枝聚合反应过程中，最适宜的反应条件为：温度为30℃；引发剂(NH_4)_2S_2O_8浓度为单体质量的1.0%；单体HEMA的浓度为溶液质量的6.0%；反应时间12h。在此最适宜条件下，PHEMA的接枝度可达40g/100g。 接着，在缚酸剂Na_2CO_3存在下,以5-氯甲基-8-羟基喹啉(CHQ)为试剂,使接枝大分子PHEMA侧链的醇羟基与CHQ发生亲核取代反应,实现了接枝微粒PHEMA/SiO_2的8-羟基喹啉功能化转变,制得了复合微粒HQ-PHEMA/SiO_2。采用红外光谱法对复合微粒HQ-PHEMA/SiO_2进行了表征，考察了主要因素对亲核取代反应的影响规律，探讨了反应机理。研究结果表明，CHQ与接枝PHEMA的醇羟基之间的取代反应遵循SN1的反应历程,；采用反应温度90℃；使用强极性溶剂DMSO更有利于反应的进行。 然后，本研究考察了功能复合微粒HQ-PHEMA/SiO_2对重金属Cu~(2+)离子和Ni2+离子螯合性能进行了初探，研究结果表明，微粒HQ-PHEMA/SiO_2对重金属离子呈现很强的螯合吸附能力，在温度30℃条件下，饱和吸附量分别达到60mg/g（0.95mmol/g）和46mg/g（0.80mmol/g）。 最后，采用本课题组建立的新型离子表面印迹技术，分别以Cd~(2+)离子和Pr~(3+)离子为模板离子，二氯乙醚为交联剂，对硅胶微粒表面的接枝大分子链PHEMA进行了离子印迹，分别制备出了镉离子和镨离子表面印迹材料IIP-HQ-PHEMA/SiO_2。分别以两种重金属离子（Cu~(2+)离子、Pb2+离子）和两种稀土离子（La~(3+)离子、Ce~(3+)离子）为对比物，采用静态法与动态法，，分别考察研究了离子表面印迹材料IIP-HQ-PHEMA/SiO_2对镉离子和镨离子的识别特性和结合性能。研究结果表明，两种离子表面印迹材料IIP-HQ-PHEMA/SiO_2对模板离子Cd~(2+)离子和Pr~(3+)离子都具有特异的识别选择性与优良的结合亲和性。相对于Cu~(2+)离子、Pb2+离子，Cd~(2+)离子表面印迹材料IIP-HQ-PHEMA/SiO_2对Cd~(2+)离子识别选择性系数分别为25.52和22.91。温度及交联剂的用量对印迹材料的选择性系数也有一定的影响，适宜温度为45℃，二氯乙醚的适宜用量为其物质量与PHEMA链节量之比等于1:3。相对于La~(3+)离子、Ce~(3+)离子，Pr~(3+)离子表面印迹材料IIP-HQ-PHEMA/SiO_2对Pr~(3+)离子识别选择性系数分别为5.22与5.12。印迹反应的适宜温度为45℃，二氯乙醚的适宜用量为其物质量与PHEMA链节量之比等于1:3.5。此外，以0.1mol/L的盐酸溶液作为洗脱液，印迹材料IIP-HQ-PHEMA/SiO_2还具有良好的洗脱性能。
【关键词】：离子表面印迹 甲基丙烯酸羟乙酯 硅胶 重金属离子 稀土离子 离子识别
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O631.3
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1.本课题的研究背景及意义12-25
• 1.1 重金属污染及其危害分析12-15
• 1.1.1 重金属污染12-13
• 1.1.2 重金属离子污染现状13-14
• 1.1.3 重金属处理方法14-15
• 1.2 稀土元素简述及提取分离方法15-19
• 1.2.1 稀土元素简述15-16
• 1.2.2 稀土的湿法冶金16-17
• 1.2.3 稀土提取分离方法17-19
• 1.3 (分子)离子印迹技术19-23
• 1.3.1 (分子)离子印迹技术的概述19-20
• 1.3.2 (分子)离子印迹聚合物的传统制备方法及缺点20-21
• 1.3.3 (分子)离子表面印迹技术21-23
• 1.4 本课题的研究目标和意义23-25
• 2.表面引发接枝聚合法制备接枝微粒 PHEMA/SIO_2及其 8-羟基喹啉功能化转变研究25-42
• 2.1 试验部分25-30
• 2.1.1 试剂与仪器25-26
• 2.1.2 表面引发接枝法制备接枝微粒 PHEMA/SiO_226-27
• 2.1.3 接枝微粒 PHEMA/SiO_2的 8-羟基喹啉功能化转变27-29
• 2.1.4 HQ-PHEMA/SiO_2对重金属离子螯合吸附实验29-30
• 2.2 结果与讨论30-41
• 2.2.1 功能复合微粒 HQ-PHEMA/SiO_2的制备过程30-31
• 2.2.2 微粒的红外光谱31-33
• 2.2.3 两种硅胶微粒的热失重图33
• 2.2.4 接枝微粒 PHEMA/SiO_2的形貌33-34
• 2.2.5 影响单体甲基丙烯酸羟乙酯接枝聚合的主要因素34-37
• 2.2.6 影响接枝微粒 8-羟基喹啉功能化转变反应的主要因素37-40
• 2.2.7 功能复合微粒 HQ-PHEMA/SiO_2对重金属离子螯合性能初探40-41
• 2.3 本章小结41-42
• 3.以功能接枝微粒 HQ-PHEMA/SIO_2为基质制备镉金属离子表面印迹材料及其离子识别特性研究42-55
• 3.1 实验部分42-46
• 3.1.1 试剂与仪器42
• 3.1.2 考察功能微粒 HQ-PHEMA/SiO_2对镉离子的吸附作用42-43
• 3.1.3 镉离子表面印迹材料 IIP-HQP/SiO_2的制备方法及表征43
• 3.1.4 考察表面印迹微粒材料 IIP-HQP/SiO_2对 Cd~(2+)离子的结合特性43-45
• 3.1.5 IIP-HQP/SiO_2洗脱性能实验45-46
• 3.2 结果与讨论46-54
• 3.2.1 功能微粒 HQ-PHEMA/SiO_2与 Cd~(2+)离子间的相互作用46-48
• 3.2.2 Cd~(2+)离子表面印迹材料 IIP-HQP/SiO_2的制备过程48-49
• 3.2.3 IIP-HQP/SiO_2对 Cd~(2+)离子的结合特性49-53
• 3.2.4 IIP-HQP/SiO_2的脱附性能53-54
• 3.3 本章小结54-55
• 4.以功能接枝微粒 HQ-PHEMA/SIO_2为基质制备镨离子表面印迹材料及其离子识别特性研究55-68
• 4.1 实验部分55-59
• 4.1.1 原料与仪器55
• 4.1.2 静态法考察功能微粒 HQ-PHEMA/SiO_2对 Pr~(3+)离子的吸附性能55-56
• 4.1.3 制备并表征 Pr~(3+)离子表面印迹材料 IIP-HQP/SiO_256
• 4.1.4 考察印迹材料 IIP-HQP/SiO_2对 Pr~(3+)离子的识别与结合特性56-59
• 4.1.5 洗脱性能的考察59
• 4.2 结果与讨论59-67
• 4.2.1 功能微粒 HQ-PHEMA/SiO_2与 Pr~(3+)离子之间的相互作用59-61
• 4.2.2 Pr~(3+)离子印迹材料 IIP-HQP/SiO_2的制备61-63
• 4.2.3 印迹材料 IIP-HQP/SiO_2对 Pr~(3+)离子的结合特性63-66
• 4.2.4 IIP-HQP/SiO_2的脱附性能66-67
• 4.3 本章小结67-68
• 结论68-70
• 参考文献70-79
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果79-80
• 致谢80

【参考文献】

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本文编号：336962