用多孔 β环糊精聚合物快速从水中去除微量有机污染物外文翻译资料

 2022-09-08 13:07:01

英语原文共 17 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

用多孔 beta;环糊精聚合物快速从水中去除微量有机污染物

Alaaeddin Alsbaiee1, Brian J. Smith1, Leilei Xiao1, Yuhan Ling2, Damian E. helbling2 amp; William R. Dichtel1

在全球水资源中的微量有机污染物，例如杀虫剂和农药，对于水生生态系统和人体健康的潜在危害，引起了广泛的关注。活性炭是使用最广泛的用来去除水体中的有机污染物的吸附材料，但是它也有一些缺陷：包括吸附污染物速度慢（在特定的时间内），以及对于很多亲水性的微量污染物的吸附能力很差。此外，再生活性炭需要增加能量（要求加热到500—900摄氏度）而且并不能够完全恢复原有的性能。beta;-环糊精不溶性聚合物,是一种昂贵的，可持续生产的大环葡萄糖，同样可以用来吸附从水中去除微污染物。beta;-环糊精由于可以压缩污染物形成定义明确的主客体复合物为人们所熟知，但是，目前为止，和传统的活性炭相比，交联beta;-环糊精聚合有着较小的表面积和较差的吸附能力。在这里，我们把beta;-环糊精和刚性芳香族交联起来，产生了高表面积的介孔beta;-环糊精聚合物。它可以迅速隔绝各种吸附速率常数高于活性炭和非多孔beta;-环糊精吸附材料15到200倍的有机微污染物。此外，该聚合物可以通过温和的洗涤，使性能无损耗，从而再生多次。最后，聚合物在快速去除一种复杂的环境相关浓度的混合物有机微污染物方面远远领先于活性炭。这些发现表明了多孔beta;-环糊精聚合物可以应用于快速流动的水处理之中。

多孔含beta;-CD聚合物（P-CDPs）是从亲核性芳香取代羟基beta;-CD四氟对苯中提取而来的。尽管1先前已经和双官能团的苯邻二酚共聚，但其与脂肪族醇盐的反应是未被描述的。beta;-CD和1在碳酸钾的四氢呋喃（THF）悬浮液里聚合，在80摄氏度时以20%的产量产生淡黄色沉淀物，这被证明是一个高表面积的介孔聚合物与预期的化学键（图1a）。当聚合反应发生在体积比为，四氢呋喃：二甲基甲酰胺为9:1的溶液里，产量能够大大提升到45%，在这样的溶液里，beta;-CD溶解性更大（看补充资料部分的改进合成P-CDP和补充图1和图2）。在高真空的条件下激活以后，P-CDPs的氮气孔隙率所表现出来的的II型等温线象征着中孔隙，而且他们的比表面积，根据在聚合反应中的1:beta;-CD的摩尔进料比d的不同，可以从35到263，（图1b）。P-CDPs从1:beta;-CD的比例为3:1中获取了持续的最大表面积。非局域密度泛函理论（NLDFT）计算应用的等温线表明，由大量直径长为1.8---3.5纳米的微孔构成了P-CDP的大部分自由体积（如图1c），就像活性炭的孔径分布（ACS；扩展数据图1）。替代聚合条件（NaOH水溶液，60°C）产生了类似的聚合物，缺乏永久的孔隙度（非多孔（NP）- CDP，比表面积为6），其作为一个有用的控制方法，来演示快速去除微量元素的表面面积的重要性（见方法部分“合成过程”）。 P-CDP 和NP-CDP重新分析的数据也反映了前者较高的孔隙体积，在水中分散时，相比于后者占其重量的的86%，前者占其重量的265%（扩展数据表1）。然而，NP-CDP可以膨胀到更大的程度，因为和P-CDP相比，它的的吸收大约是干孔体积的300倍。P-CDP的高吸水率和适宜的膨胀率都是令人满意的，因为这些参数最大限度地体现了吸附剂的性能和最大限度地减少不良的压力下降与过滤过程。

成分分析和光谱表征，在P-CDP和NP-CDP的网状物中，表明存在1和beta;-CD的两种物质在聚合物中（见方法部分的“红外光和固体核磁共振表征P-CDP 和NP-CDP”，扩展的数据图3）。在各聚合物中，1:beta;-CD的比例，是经过燃烧分析测定，一个beta;-CD中，有6.1物质的量的P-CDP和3.5物质的量的NP-CDP（见方法“合成程序”）。 因此P-CDP是比NP-CDP更加密集的交联，这可能是其有永久孔隙度的原因。F：N比也表明每个聚合物中的对苯二腈基团是由2.1和2.2醇平均取代，这与模型的研究结果一致（见模型反应S1—S2和补充图3–7），这表明beta;—CD大环化合物主要是通过二取代的对苯二腈基团连接在小的和大的边缘上。

P-CDP的高表面积和永久孔隙率使从水中迅速清除的有机污染物变成可能。双酚A，塑料的一个组成部分，作为内分泌干扰物而引起关注，被选定为污染物模型，与既定的吸附剂相比较。我们把P-CDP, NP-CDP对于双酚A的吸收，和非多孔beta;—CD聚合物交联的环氧氯丙烷对于双酚A的吸收做了比较(EPI-CDP, SBET = 23)，这是研究最广泛的用于水质净化的beta;—CD聚合物并已商品化。我们也测试了三种类型的介孔活性炭：活性炭介孔混合离子交换树脂，用于商业布丽塔过滤器（布丽塔活性炭, SBET = 507），达阔颗粒活性炭(颗粒活性炭, SBET = 612)，以及诺芮特RO 0.8活性炭（诺芮特活性炭，SBET = 984），这是一种通常用于高水平的水净化的主要的活性炭（扩展数据图1）。每种吸附剂（1）最终把大部分的双酚A从一个0.1毫米（2 2.8）水溶液中去除，和19–24毫克每克吸附剂的平衡吸附量的双酚A相比（扩展数据表2、扩展数据如图4所示），与P-CDP和这个结果范围高度符合（22）。更重要的是，P-CDP除去双酚A要比所有其它吸附剂更迅速，在10秒内达到平衡，而且十秒内的吸附量达到平均摄取量的95%（图2a）。与此相反，NP-CDP需要30分钟以达到平衡，并在10秒吸附只有平均摄取量的46％，这表明P-CDP对于双酚A的接近瞬时吸附可归因于它的孔隙率。同样，EPICDPIC需要超过1小时以达到平衡，并十秒内仅吸附其均衡值的22％，这与之前的报道一致。最后，布丽塔活性炭和颗粒活性炭都需要超过1小时以达到平衡，而诺芮特活性炭需要10分钟（图2a）。只有诺芮特活性炭在10秒吸附平衡值的53％，尽管其表面积是P-CDP将近四倍以上。

P-CDP对于双酚A的吸附的视伪二级速率常数（）是1.5，这是高性能诺芮特活性炭的15倍以上，和其他研究吸附剂相比高两个或两个以上的数量级（扩展数据表2、扩展数据图4）。据我们所了解，这个速度常数，在相似的实验条件下所报道的通过活性碳、介孔二氧化硅或糖基吸附剂吸附双酚A或其他污染物中，是最高的。视伪二级速率常数把容易接近的结合位点（概念化的表现为吸附剂的外表面）和不易接近的结合位点（概念化的表现为吸附剂的内表面）相结合。P-CDP对于双酚A的吸附的超高的视伪二级速率常数，表明几乎所有的beta;-CD结合部位都是容易接近的，这一特征在其他的已经被发现的吸附剂中都没有被发现。我们进一步通过测定各吸附剂对于双酚A导流吸收，探讨了易于结合位点。在这些实验中，吸附剂（3毫克）被放置在一个0.2mu;m的注射过滤器薄膜中，液体双酚A（3毫升，0.1毫米）以9的流量迅速通过滤器。在这样的条件下，P-CDP去除了溶液中的80%的双酚A，与平均摄取量的高于85%相对应（图2b），而相同的条件下，诺芮特活性炭只去除了59%的双酚A，表示在20秒的时间内，有近一半的结合位点是不可访问的。P-CDP的优越的性能进一步表明，大多数beta;-CD部分由双酚A迅速访问。

P-CDP对于双酚A的吸附的热力学参数与beta;-CD包合物的形成是一致的。P-CDP的均衡摄取量，有体现在吸附后集中残余的双酚A的功能，[BPA]，符合朗格缪尔模型（方法一节“吸附热力学研究”，扩展数据图5），表明形成1:1的包合配合物与结合常数（K）56000，这与其他的beta;-CD的聚合物的报道相符合。此外，平衡时候的最大吸附量（）被发现是88，这是类似于EPICDP所报道的最高值（84），并且对应于双酚A：beta;-CD的摩尔比为0.9。因此，大多数聚合物中beta;-CD单元都能够在平衡状态，和双酚A形成1：1的配合物。在更高浓度的双酚A中，P-CDP达到双酚A：beta;-CD比大于1，通过结合双酚A在beta;-CD环外侧或通过其他非特异性相互作用。例如，1的P-CDP从一个1mM的水溶液中吸附200的双酚A，表明能力显著的超出了beta;-CD包合物的表现能力。然而，这些结果表明，P-CDP的综合特性反应了beta;-CD包合配合物的形成的浓度和水的净化有关。相反，加强的能量和活性炭的降解再生过程，通过用甲醇冲洗聚合物，双酚A很容易从P-CDP中去除。在进行五次吸附/解吸循环之后，再生的P-CDP和合成高分子所表现出来的性能基本没有降低（图2c）。对P-CDP功能成本分析表明，原材料美元的成本（USD）是每公斤3.70美元，假设对于聚合物进行进一步优化，对应于每公斤5—25美元的估算（见补充信息部分“P-CDP的功能成本分析”）。这些预算表明，用于水质处理的先进活性炭的费用（每公斤超过9美元），和用于研究的颗粒活性炭（每千克22美元）以及诺芮特活性炭（每千克47美元）的批发成本相比，还是比较有优势的。P-CDP的卓越的性能，轻便的再生过程，以及符合实际的成本估算，证明了当进行了全生命周期分析之后，其和活性炭的经济竞争力。

除了双酚A，我们评估了P-CDP对于不同大小尺寸的，不同功能的和不同疏水性的污染物的去除能力，从简单的芳香族化合物到医药、农药（图3a，补充表1）。简单的芳烃包括以下：2,4-二氯苯酚，是一种除草剂生产的中间产物和抗菌剂三氯生产品的降解产物，1-萘基胺、一种偶氮染料前体和已知的致癌物和2-萘酚，对于各种萘酚污染物的模型。我们还评估了以下的人为污染物：双酚S，在很多聚碳酸酯中已经已经取代双酚A，同时也表现为更大的环境持久性的内分泌干扰物；异丙甲草胺，一种最常见的除草剂，往往是在河流和地下水的检测到；乙炔雌二醇、用于口服避孕药的模仿雌激素，在浓度低至5时就可以引起的的鱼类种群的崩溃（参考文献27）；与普萘洛尔、beta;-受体阻滞剂用于治疗高血压，它不受废水处理方案有效地除去，并且在浓度类似于用户的血清的废水中被发现了。对于这些复合物的吸附研究，类似于对于双酚A（0.1mM摩尔吸附，1的吸附剂）的研究，除了乙炔雌二醇，这是在较低的浓度下进行测试，因为它的很低的水溶解度（0.04mM吸附物，0.5的吸附剂）。每个有机污染物都是通过P-CDP迅速排出（图3b，扩展数据如图6所示），并且与双酚A的时间吸附曲线是相似的。测试的污染物的结合常数，是从平衡的结合效率中估计出来的，所有的都是约（扩展数据表3和4）。还研究了P-CDP对于这些污染物的快速吸收，与EPI-CDP和高性能诺芮特活性炭相比较（图3c）。P-CDP所显示出来的对于所有污染物优良的快速吸收，与非多孔EPI-CDP形成鲜明对比，也对所有研究的新兴污染物中明显优于诺芮特活性炭。对于平面芳香模型化合物，P-CDP甚至显示类似于诺芮特活性炭的性能，和活性炭有强烈的反应。P-CDP对于人为污染物的性能优越表示beta;—CD基吸附剂的一个主要的优势：三维型腔是非平面化合物更好的匹配物。

些污染物的快这速吸收是通过在浓度为2.5到100的混合液中，对于环境相关浓度的调查来研究的，这个浓度范围内，许多极性有机污染物在污水和饮用水资源中的数量是确定的。污染物的混合物水溶液（8毫升）是通过迅速通过0.2mu;m注射器过滤器，其中含有约0.3毫克的P-CDP或诺芮特活性炭（图4）。平均而言，对于所有的新兴污染物，和诺芮特活性炭相比，P-CDP再次显示出同等的或更大的快速吸收的。两种污染物在低浓度的时候没有表现出由诺芮特活性炭快速吸收，而所有八种污染物均表现出由P-CDP至少有一些去除。这些结果表明，P-CDP可以从环境浓度中快速的部分去除极性有机污染物，同时，当存在于混合物中，这表明它能够在废水处理期间除去广泛微量污染物。

图 1|beta;-CD聚合物网络来自于芳香亲核取代反应。a，左，从beta;—CD和1合成的高比表面积多孔P-CDP，右，P-CDP结构的示意图。b，P-CDP对于的吸附（蓝色方块）和解吸（灰色方块）的等温线。实线是我们观看时候的向导。是通过对的吸附等温线计算出来的P-CDP的布鲁诺尔 - 埃米特 - 特勒（BET）表面积（以为单位），而且，P和是在77K时候的平衡气压和饱和气压。c，通过NLDFT分析得到的P-CDP累积孔体积表示聚合物的介孔结构。

图2 |双酚A被各种吸附剂摄取的效率。a，液体双酚A（0.1mM）对于各吸附剂时变吸附（1，详情见吸附剂正文）。b，通过吸附剂的薄层在快速流动的情况下去除双酚A。数据报告为三次试验平均值。去除最大值和最小值。c，双酚A（BPA）的去除平均百分比效率在P-CDP连续再生循环之后。P-CDP的再生是通过在室温下用甲醇冲洗废吸附剂。数据报告为三次试验平均值。去除最大值和最小值。

图3 |复合P-CDP迅速吸附大量有机微污染物。A，各测试的新兴的微量有机污染物的结构和相关性。每种化合物的吸附过程中表现出来的物理化

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[146267]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章