难降解有机物吸附－光降解树脂材料制备机理及应用研究

针对难降解有机污染物直接造成水体和环境的严重污染，申请人提出以具有高接枝率的壳聚糖为基体，分别进行吸附基团、光敏基团的接枝，使其具有高吸附容量和高选择性、较高光降解活性和光稳定性相结合的有机树脂材料，并将其应用于处理难降解有机污染物废水。通过对给电子-受电子体系性质的理论研究，确定可供接枝的光敏基团，深入探讨不同光敏基团与基体的接枝特性、基体自身变化对同一光敏基团接枝过程的影响机制以及活性光敏基团接枝率、交联率与溶胀率之间的相关性；阐明基体结构性质与光敏基团、树脂稳定性之间的相互作用机理，光敏基团接枝过程对基体自身结构及性质、活性基团不同取代位和不同取代基团对光降解有机物宏观性质的影响规律，以提高材料对典型难降解有机物的光降解效率及光能利用率，为最终形成同时具备较高光降解活性、高容量高选择性吸附相结合的光降解材料提供理论基础和技术指导。

针对水体中难降解有机物染污，课题组开展了光敏基团与胺/羟基这一给电子与受电子对的理论研究，采用KF方程和密度泛函方法以及分子模拟对壳聚糖单体中的羟/胺基，以及对接枝过程中氢键和空间位阻效应进行了计算和理论研究，掌握其作为受电子体的基本性质，探明了其对树脂自身性质及宏观吸附与降解能力的影响规律。运用密度泛函法对四氨基钴酞菁的构型、前线分子轨道理论、红外光谱以及紫外可见吸收光谱进行了理论计算与研究。在B3LYP/3-21G*水平上分别对四氨基钴酞菁的四种构型进行了结构优化与频率分析，通过比较其总能量、热力学稳定性以及能带隙，得到其稳定次序为X-Y同分异构体> X-Z同分异构体>X-Y构型﹥X-Z构型，并对最稳定的X-Y同分异构体构型进行了前线分子轨道理论研究，研究结果表明四氨基钴酞菁的最高占据轨道（HOMO）主要由碳原子以及氮原子贡献，最低空轨道（LUMO）主要由碳原子、氮原子以及Co原子贡献。采用B3LYP/3-21G*方法，对四氨基钴酞菁的红外光谱进行了计算。结果证明四氨基钴酞菁的实验峰值与计算峰值的振动带高度吻合，并且两者在400 cm-1～3600cm-1频率范围内的拟合曲线相关系数为0.99807，其相关性较好。.在理论研究的基础上，采用不同光敏基团为原料，在加入羟基保护剂或胺基保护剂的条件下研究了亚甲基蓝和四氨基钴酞菁与壳聚糖的接枝过程，以及不同合成条件对同一光敏基团接枝率的影响规律，考察了反应温度、时间、酞菁用量以及引发剂用量对接枝率的影响，结果表明反应时间对接枝率的影响较明显，最佳时间为3h。反应温度也是主要影响因素之一，最佳温度为60℃。在反应过程中，温度的升高有利于自由基的增加，而温度过高又不利于反应活性中心的稳定，单体的均聚反应导致了接枝率的下降。酞菁的最佳用量为0.08g/g，引发剂K2S2O8/Na2S2O3用量均为0.08g/g时接枝率达到最大。.采用X射线衍射、傅里叶红外光谱、热重分析、元素分析等手段表征了合成的中间产物及最终产物，确定其组成及结构。最后进行了不同条件下材料与典型难降解有机物光降解效率、光能利用率之间的相关性研究。项目研究结果为最终形成同时具有高容量吸附、较高光降解活性、高选择吸附性相结合的光降解材料提供了理论基础和技术指导。