负载碳多孔有机插层LDHs的组装及对氯酚的增强吸附机理与选择性

Layered double hydroxides (LDHs) have good anions exchange capacities due to their unique structure and composition. However they have limited adsorption affinity towards hydrophobic organic compounds in water. The objective of the present study is to investigate the removal of endocrine disrupting chemicals (chlorophenols as target pollutant) in water by adsorption technology. The physicochemical properties of LDHs are improved by the following route, increasing hydrophobic using organic intercalative chemistry technologies, improving surface reactivity by doped carbon (reactive carbon fiber, carbon nanosphere, graphene), increasing surface areas and active adsorption sites by assembly of hierarchical porous structure. The adsorption kinetics and thermodynamic behaviors of chlorophenols onto LDHs are studied by batch model test. The enhanced adsorption mechanism, relationship between structure and performance, major factors affecting adsorption process are analyzed. The removal experimental parameters for chlorophenols in water are optimized. The arrangement of guest anions and host-guest interactions in the layers are investigated based on molecular simulation together with time serials and in situ characterization technology. Intercalative selectivity and mechanism for chlorophenols in mixed solutions using various LDHs are studied. Furthermore, the regeneration capacities of the LDHs are examined. The present study facilitates its effective utilization as a porous adsorbent material for removal of pollutants in water.

水滑石类插层材料（LDHs）具有独特的层状结构与组成，拥有良好的水溶性阴离子交换能力，而直接吸附疏水性有机物的容量有限。本研究选取氯酚化合物作为模型污染物，以高效吸附去除水中内分泌干扰物为研究目标，拟分别从LDHs的层间疏水性、表面化学活性和孔结构三个方面调控材料的物化特性：采用有机物插层化学技术，增强LDHs材料层间疏水性；负载纳米碳质成分（活性炭纤维、纳米碳球和石墨烯等），改善层板表面吸附活性；构筑分等级纳米多孔体系，调控孔结构、比表面积和吸附位。研究LDHs材料对水中氯酚的吸附热动力学规律，分析其增强吸附机理、构效关系和主控因素，优化吸附去除的最佳条件。通过计算和分子模拟，并结合时间分辨技术和原位表征技术，揭示层间客体分子的排列方式和主客体作用力。探讨不同种类LDHs对氯酚异构体的插层选择性与机理，并考察其再生循环性，这将为LDHs材料应用于水污染治理提供科学依据。

本研究计划以高效吸附去除水中污染物为目标，分别从水滑石类插层材料（LDHs）的微结构特性、层板表面化学活性、层间疏水性等方面调控插层材料的物化特性，并通过静态吸附实验考察了LDH材料对水中污染物（对氯苯酚、对硝基苯酚、磷酸盐、氟离子、Cr (VI)）的吸附性能与再生性。采用结构导向剂调节的水热体系合成了锂铝水滑石（LiAl-LDHs），调控插层材料的形貌、孔结构和比表面积，构筑分等级纳米多孔材料，并通过煅烧制得锂铝复合金属氧化物（LiAl-CLDHs），水滑石具有良好的晶型且规整度较高，焙烧态锂铝水滑石的微观形貌为六边形纳米片组成的三维花状结构，比表面积达到113.2 m2/g，具有分等级多孔结构特征。以六亚甲基四胺(HMT)为沉淀剂，以酒石酸钠(ST)为有机插层剂，利用一步水热法使氧化石墨烯(GO)和粉末活性炭(PAC)负载在镁铝水滑石(MgAl-LDH)层板上，研究发现负载碳型水滑石样品的层间距和比表面积显著增大，改善了层板表面吸附活性。运用有机物插层化学技术，分别将十二烷基苯磺酸钠（SDBS）和环糊精(CMCD)插层进入锌铝水滑石层间，增强了LDHs 材料层间疏水性。氟离子在焙烧态锂铝水滑石上的吸附可分为离子交换、外表面吸附和再水合过程进入主体层板三种方式，显示出对亲水性氟离子良好的吸附性能。Freundlich吸附模型能够较好地描述LDHs样品对Cr (VI)的等温吸附过程，其中ZnAl-LDH样品对Cr (VI)的吸附量最大达到68.1 mg/g，且具有较好的再生能力。通过水热法合成分等级多孔锌铝系水滑石中空微球，SDBS在水滑石层间单层垂直排列，水杨酸钠改性的微球型ZnAl-LDH具有最大的比表面积（128.9m2/g）和孔体积（0.37cm3/g），对水中对硝基苯酚的饱和吸附量为101.6 mg/g。研究证实有机插层技术实现了水滑石层板间从亲水性向疏水性的转变；结构导向剂使材料的微观形貌发生了明显改变，有效提高了多孔材料的比表面积和孔体积，从而显著提高了水滑石材料对有机污染物的吸附性能。本项目的研究结果可为LDHs材料的可控制备与吸附应用奠定基础，这是将纳米技术、插层组装化学、多孔材料形貌控制技术应用于水体微污染物的吸附与分离，因而具有重要的理论意义和应用价值。