新型螯合功能化纤维的设计合成及其对重金属离子识别机理的研究

In recent years, the indication, recognition and removal of heavy metal ions have been developed rapidly and become interest of the chemists. In general, the oxygen ligands are effective extractants for alkali and alkaline earth metals. As a soft alkaline, the nitrogen or sulfur ligands have shown a potential ability of forming stable complexes with heavy metal ions as a result of lewis acid-base interactions. In this project, the novel chelating fiber for heavy metal ions detection, recognition and removal are designed and synthesized through grafting some functional organic molecular containing nitrogen, sulfur or some chelation agents onto the surface of Polyacrylonitrile fiber (PAN) or Polyproplylene fiber (PP). Firstly, pyridine ligands and oxadiazole derivatives are introduced to the surface of fiber to form chelating fiber containing nitrogen atom. Dithiocarbamate group and multiple thiol groups are introduced to the surface of fiber to synthesize chelating fiber containing sulfur atom. Chelation agents are also chemical bonded to the surface of fiber to form chelating fiber. Making use of the coordination effect of nitrogen and sulfur to heavy metal ions or the synergistic effect of multiple atoms, the heavy metal chelating fiber with more bonding sites are designed and synthesized. Secondly, the adsorption property and removal capability to heavy mental ions and their kinetics are investigated. The chelating function and chromotropic behavior of functional fiber are systemically studied by combining molecular simulation method. The synergistic mechanism of the special micro-environment of fiber with the chelating function of organic molecular is explored. The recognition mechanism for heavy metal ions of functionalized fiber will be revealed. Finally, the controllable design and synthesis of the chelating fiber will be expected through this research. And this project will establish a foundation for the synthesis and application of the novel solid material for heavy metal ions recognition and removal.

重金属离子的指示、识别及去除近年来受到人们的普遍关注。氮、硫作为软碱，与重金属离子具有较强的亲合力，易与这些离子形成稳定的络合物，并具有选择性螯合作用。本项目拟将对重金属离子具有螯合功能的含氮、硫有机功能分子及重金属离子螯合剂通过化学键合负载到织物纤维上，通过调节纤维表面修饰分子的性质、长度及空间结构，调控功能分子间距，形成对重金属离子的多齿配位作用，利用氮、硫对重金属离子的选择性配位作用，或利用多原子的协同配位作用，设计合成具有重金属识别、变色指示及去除功能的螯合功能化纤维。考察功能化纤维对重金属离子的吸附、去除性能及其动力学，对功能化纤维与重金属离子的螯合作用及变色行为进行系统研究，探索纤维特定微环境与螯合过程的协同作用机制，揭示功能化纤维对重金属离子的识别机理，以期实现具有螯合作用功能化纤维的可控设计与合成，为新型固态重金属离子识别去除材料的合成与应用奠定基础。

随着我国工业化水平的不断提高，大量有害重金属及其化合物随生活和工业废弃物排入水体、大气和土壤中，严重威胁着人类健康及生态环境。其中，水体污染由于具有很强的扩散性，是重金属污染中最严重、最难控制的，也是对环境和人体危害最大的一种重金属污。另一方面，重金属是不可再生资源，从废水中提取重金属既可以解决重金属污染问题，又可以有效利用重金属资源，化害为利，变废为宝。因此，重金属离子的指示、识别及去除成为近年来人们普遍关注的焦点。而将螯合剂负载于固相载体，设计合成价廉、方便、有效的固态重金属离子识别吸附材料更是引起了学者的广泛关注。. 本项目提出了将对重金属具有螯合作用的含氮、硫功能有机分子及常用的重金属离子螯合剂通过化学键合负载到织物纤维上，形成对重金属离子多齿配位作用，同时利用纤维特定微环境与功能有机分子对重金属的螯合作用，制备具有重金属识别、变色指示及去除功能的新型功能化纤维，并对其与重金属离子的螯合作用及变色行为进行系统研究。. 经过三年的研究工作，成功将胺类及多胺类化合物、DAMP衍生物、噁二唑衍生物、吡啶类配体化合物等含氮有机小分子负载到改性纤维上，设计合成含氮类功能化纤维，对其吸附动力学、等温学特性进行了系统研究，实现了对重金属离子的选择性吸附去除，而对轻金属离子不络合；将二硫代甲基氨基官能团、双噻二唑吡啶官能团、硫脲官能团负载到纤维上，设计合成含有多个硫原子吸附点的功能化纤维，利用硫对重金属离子的多齿配位作用，以及硫与氮的协同配位作用，实现了对Hg2+，Pd2+，Ag+等重金属离子的选择性识别及变色指示，并且具备响应时间短，检测下限极低，pH适用范围宽的优势；将对重金属离子具有螯合变色作用的螯合剂卟啉类化合物、苯并噻唑半花菁染料负载到纤维上，通过调节纤维表面修饰分子的性质，设计合成对重金属离子具有螯合变色功能的纤维，实现了对重金属离子Hg2+离子的选择性识别及变色指示。. 本项目的实施成功的设计合成了多种具有重金属离子识别、变色指示及去除功能的螯合功能化纤维，并实现了螯合功能纤维的重复利用。通过考察功能化纤维对重金属离子的吸附、去除性能及其动力学的，揭示了功能化纤维对重金属离子的识别机理，基本实现螯合功能纤维的可控设计与合成，为新型固态重金属离子识别去除材料的合成与应用奠定基础。