ATRP法制备新型高效生物吸附剂及去除水中全氟化合物的基础研究

全氟化合物（PFCs）是目前研究最热的新兴污染物，生物累积性强，难以降解，广泛存在于各种水体中。吸附是去除水中PFCs的有效方法，但传统多孔吸附剂存在吸附速度慢等问题。本研究针对污水中典型的PFCs，拟开发多种吸附速率快、吸附量高、选择性好的新型无孔生物吸附剂。通过先进的原子转移自由基聚合（ATRP）技术将多种功能大分子接枝到多种生物材料（棉纤维、菌丝体、稻壳等农副产品）表面，从而大大提高吸附剂表面官能团密度，提高吸附量。通过静态和动态吸附试验，研究制备的氨化和全氟化生物吸附剂去除水中多种PFCs的吸附性能，特别是工业污水中共存物对PFCs的竞争吸附的影响，并进行再生和重复使用研究。利用X射线光电子能谱等多种表面分析手段，研究生物吸附剂吸附PFCs的吸附机理。本研究首次利用ATRP技术制备大分子改性的生物纤维吸附剂，实现高效选择性去除水中PFCs，对去除水中其它微量有机污染物也有借鉴作用。

按照项目预定的研究内容和研究计划，本课题组在三年中积极开展了研究工作，完成了预期研究内容，达到了预期目标。本研究针对污水中典型的全氟辛磺酸(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)，优化制备出氨化树脂、氨化棉花、羧基化棉花、季胺化棉花以及氨化稻壳等多种高效吸附材料，并采用扫描电镜、红外光谱和X射线光电子能谱等分析手段进行了材料表征。通过原子转移自由基聚合（ATRP）技术成功将含有胺基和羧基等官能团的大分子聚合嫁接到稻壳和棉花等生物材料上，大大提高吸附剂表面官能团密度，从而提高了吸附量。研究了这些高效的胺化生物吸附剂吸附水中全氟化合物的吸附特性，包括吸附动力学、吸附等温线和溶液pH的影响等，并利用多种仪器分析了吸附机理。制备出的氨基稻壳和季胺化棉花是吸附水中PFOS和PFOA的高效吸附材料，具有吸附速度快、吸附量高等特点。在pH =5时，氨化稻壳对PFOA和PFOS的最大吸附量分别为2.49和2.65 mmol/g，远大于活性炭吸附剂（小于1 mmol/g）；季铵化棉花对PFOS和PFOA的吸附动力学平衡时间分别为4 h和12 h，比多孔的吸附剂要快；对PFOS和PFOA的平衡吸附量分别达到3.3mmol/g和3.1mmol/g，远大于活性炭吸附剂，特别是该吸附剂可在较宽的pH值范围内高效去除PFOS和PFOA。通过实验和仪器分析表明，氨化稻壳质子化的氨基可以通过静电作用吸附水中的阴离子PFOA和PFOS，而季铵化棉花的吸附机理主要是阴离子交换。可见，ATRP是制备高效无孔吸附剂的可行技术，适合去除水中PFOS这类较大分子的污染物。尽管如此，ATRP技术制备吸附剂的成本较高，目前难以大规模应用。另外，嫁接在材料表面的大分子是否稳定，还需进行长期试验评估。.与原计划相比，我们完成了该项目的主要研究内容，计划中的ATRP制备全氟化生物吸附剂没有实现，主要原因是全氟单体难以在合适的溶剂中聚合，即使合成了该类吸附剂，由于材料表面的强疏水性，水中的全氟化合物也难以接触到材料表面，因此该方法不可行。.经过三年研究，依托本项目发表了3篇SCI收录的国际期刊论文，参加国际会议3次，并做口头报告，出版专著1部，申请专利2项，培养本科生2名，硕士生2名，邀请两名美国教授（麻省大学的Baoshan Xing和卡内基梅隆大学Greg Lowry）进行了学术交流，完成项目预定的目标。