具有双孔道和多级表面结构介孔碳的构建及其对抗生素类污染物吸附机制研究

Antibiotic pollution has become increasingly serious, calling for urgent and effective control. A variety of contaminants in water can be removed by mesoporous adsorbents. However, due to the particular physicochemical properties of antibiotic pollutants, there are very few systematic studies aimed at oriented design and control of mesoporous material based on these particular properties of antibiotic pollutants. Therefore it is difficult to obtain high efficient mesoporous adsorbents with both high capacity and rate to remove antibiotic pollutants. In this project, the design and synthesis of mesoporous carbons with bimodal mesopores and multiple surface structures are proposed, through which the porous structure and surface chemical structure can be combined organically, thus solving the contradiction between structures of materials and improvement on adsorption performance from nanoscale and improving the adsorption performance multiply. The construction of bimodal mesoporous structure provides sufficient space and rapid transport channels for adsorption, ensuring high adsorption capacity and rapid adsorption kinetics. The multiple surface structures can be obtained by controlling surface modifications’ location and construction of pH sensitive surface/pH inert surface, which provide more active sites for adsorption and further enhance the absorbability by multiple interactions between adsorbents and contaminants. The adsorption and desorption behavior of typical antibiotic contaminants on the obtained materials will be studied comprehensively to shed light on the adsorption mechanism. The rules of controlling porous structure and surface chemical structure and their synergy mechanism for adsorption performance will be also revealed. The above works will provide new ideas and materials for study of efficient adsorbents of antibiotic contaminants.

抗生素类污染日益严峻，亟待有效控制。介孔吸附材料可去除水中多种污染物，但抗生素类污染物理化性质特殊，目前少有根据其特性对介孔材料的结构进行定向设计和调控的系统研究，因而难以获得可大量快速去除抗生素类污染物的高效介孔吸附材料。本项目通过设计合成具有双孔道和多级表面结构的介孔碳，将孔道和表面化学结构有机结合，从微观尺度上解决材料结构与提高吸附性能之间的矛盾，实现对吸附性能的多重强化。构建双介孔结构为吸附提供大量空间和快速传输通道，保证高吸附容量和快速吸附动力学。通过调控表面修饰的位置和构建pH敏感表面/pH惰性表面，形成多级表面结构，为吸附提供更多活性位点，使吸附材料和污染物之间形成多重相互作用，进一步增强吸附能力。系统研究典型抗生素类污染物在所得材料上的吸附、脱附行为，阐明吸附机理；揭示孔道和表面化学结构的调控规律及其对吸附性能的协同作用机制；为高效抗生素类吸附材料的研究提供新思路和新材料。

抗生素是一种新兴的可电离有机污染物，亟待有效控制。本项目首先对介孔材料的孔道结构进行调控，确定比表面积是影响介孔吸附材料性能的关键因素，制备出具有超高比表面积的双介孔碳材料，克服了一般吸附剂在不同pH下对抗生素吸附能力不稳定的缺点，所得材料对抗生素的吸附能力对pH的变化不敏感，在pH为2-10的范围内对抗生素类污染物均具有良好的去除能力。在此基础上，本项目根据抗生素的性质，通过表面修饰和骨架掺杂的手段对介孔吸附材料的表面化学结构进行调控，得到表面单重和双重功能化的介孔吸附材料，使所得材料的吸附速度和吸附量得到提高。但在研究中发现，介孔材料的吸附能力与表面活性位的数量没有线性关系，孔道表面功能化会引起材料的比表面积和孔径减小，影响吸附性能，适宜的表面功能化方法应注意孔道结构与表面化学结构对吸附性能的协同作用。进一步地，为将介孔材料的孔道和表面化学结构有机结合，使其协同作用提高介孔吸附材料性能，我们对双孔道结构中的一套孔道进行修饰，另一套孔道不做修饰，得到具有多级表面结构的介孔碳，在构建良好表面化学结构的同时，保持了孔道的开放性和高比表面积，使所得材料对目标污染物的去除率得到进一步提高。此外，在本项目的实施中发现环糊精修饰的介孔材料对有机大分子和金属离子具有较强的束缚能力，以此为基础开展环糊精修饰的异相催化剂的研究，取得创新成果。通过本项目的实施，发表SCI论文8篇，获得多个新型高效介孔吸附材料，确定了介孔材料的孔道结构和表面化学结构的协同作用关系，为介孔功能材料的研究提供了科学依据和实验数据。