薄膜扩散梯度技术中高选择性碳吸附剂的制备及其对重金属离子的作用机制

Diffusive gradients in thin films (DGT) technology is very effective for in-situ heavy metal ions detection in waters. However,low adsorption selectivity and efficienty of traditional adsorbents in DGT technology generally result in inaccurate results. This proposal focuses on the low-cost preparation of environmental friendly carbon adsorbent based on hydrothermal/solvothermal carbonization of organic biomass.Tune the micro/nanostructures of carbon adsorbent to improve the adsorption efficiency. High selective functional groups towards heavy metal ions [Cu(II), Hg(II), Cr(VI), etc.] are produced on the surface of carbon adsorbent by chemical graft along with low temperature plasma modification and further leads to selective adsorption and accurate in-situ detection. Investigate the relationship between adsorption environments (pH, temperature, etc.) and selectivity of carbon adsorbent based on multicomponent compete adsorption experiments and further to control their selectivity. To erect adsorption model and further investigate the interation between heavy metal ions and carbon adsorbent based on Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy surface analysis technology and Monte Carlo,energy minimization computer simulation technology, etc. The implement of our proposal not only provide theory basis and technical possibility of preparation and modification of micro/nanostructured carbon adsorbent but also supplies an novel adsorbent for DGT technology.

薄膜扩散梯度技术是对水体中重金属离子进行原位监测的有效手段。然而，该技术中所用常规吸附剂会由于吸附选择性不高和吸附效率低下的问题造成监测结果不准确。本项目利用水热/溶剂热碳化有机生物质低成本制备环境友好碳吸附剂。基于微/纳结构的调控提高吸附效率。利用化学接枝结合低温等离子体表面修饰技术在碳吸附剂表面生成对重金属离子[Cu(II)、Hg(II)、Cr(VI)等]具有选择性的功能基团，从而达到对重金属离子的选择性吸附和准确、原位监测。通过多组分溶液竞争吸附实验考察吸附环境(pH值、温度，等)与碳吸附剂选择性的关系，实现对其选择性的调控。利用傅里叶红外光谱、X射线光电子能谱表面分析等手段和Monte Carlo及能量最小化等分子模拟计算技术建立吸附模型，探索重金属离子与碳吸附剂的作用机制。项目的实施，不仅为碳吸附剂的制备和功能化提供理论基础和技术可能也为薄膜扩散梯度技术提供了一种新型的吸附材料。

薄膜扩散梯度技术是对水体中重金属离子进行原位监测的有效手段。然而，该技术中所用常规吸附剂会由于吸附选择性不高和吸附效率低下的问题造成监测结果不准确。本项目利用水热/溶剂热碳化有机生物质低成本制备环境友好碳吸附剂。基于微/纳结构的调控提高吸附效率。利用化学接枝结合低温等离子体表面修饰技术在碳吸附剂表面生成对重金属离子[Cu(II)、Hg(II)、Cr(VI)等]具有选择性的功能基团，从而达到对重金属离子的选择性吸附和准确、原位监测。. 基于此，采用壳聚糖为碳源制备得到微纳结构双核状碳吸附材料，得出结构调控的关键性因素为壳聚糖的浓度。提出了选择性刻蚀的形成机理。通过对碳吸附剂表面功能基的构筑可以很方便地通过pH值来调控碳吸附剂的吸附选择性。实验表明其对Cu（II）和Cr（VI）的吸附选择性分离系数可达1162。进一步用于DGT中可对重金属离子达到痕量选择性吸附。此外，采用吸附了Fe3+的PDVB一步法碳化制备得到亲油憎水性磁性碳吸附剂，为DGT器件对有机物的测定奠定了基础；研究并构筑了微纳结构ZnO和MnOOH膜为结合相的DGT器件分别对重金属离子Cu（II）和As具有选择性吸附监测功能，通过酸溶计算吸附量M，一方面简化了DGT测量步骤避免了洗脱过程中带来的偏差，另一方面直接用薄膜作为吸附层省去了吸附胶的制备；仿生珊瑚状Al2O3为DGT中微纳结构吸附相的制备提供了新的思路；多孔金属有机框架材料微纳结构ZIF-8和ZIF-L对甲基橙MO、苯酚和Cr(VI)的表面及尺寸选择性吸附行为研究进一步拓展了DGT吸附相的材料基础，证实了微纳结构增强吸附效应。采用Langmuir和Freundlich吸附等温线模型和吸附动力学拟合得出金属离子Cu（II）的吸附机制主要为静电作用和络合作用，对Cr（VI）的吸附主要为静电吸附和还原作用。项目的实施，不仅为微纳结构碳及相关吸附材料的设计制备提供学术支撑，也为简化DGT技术的推广使用，为清洁水环境的监控和治理贡献力量。