基本信息
- 项目名称：
- 磁性铜离子印迹聚合物的合成与性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 随着废水污染日益严重和资源日益短缺，目前治理废水不仅要求“尽量去除各种污染物”逐渐转变为“尽量从废水中回收各种有用之物”。针对上述技术需求，采用表面离子印迹技术、溶胶凝胶与磁性分离技术耦合，合成了核壳结构磁性铜离子印迹聚合物。并通过IR、XRD等方式对其结构进行表征，采用静态吸附法研究了吸附容量、选择性因子等吸附性能。研究结果发表在二区期刊Ind. Eng. Chem. Res.杂志上。
- 详细介绍：
- 针对目前处理重金属废水主要是尽量去除各种重金属污染物，而不是尽量回收各种重金属的缺陷，本研究拟设计一种具有选择性去除和回收功能的新型材料，为废水中重金属处理提供一种新手段。为了实现上述目的，我们通过溶胶凝胶和表面印迹技术把离子印迹材料的高选择性和Fe3O4的磁分离性能有机结合，成功合成了新型磁性铜离子印迹聚合物（Cu (II)-MIIP）。红外、热重分析和XRD数据表明离子印迹聚合物成功地接枝到Fe3O4表面。激光粒度仪分析结果表明Cu (II)-MIIP尺寸主要分布在1.0 µm到10.0 µm。Cu (II)-MIIP饱和磁强度值为55.00 emu/g，该饱和磁强度值已经足够用于磁性聚合物的磁性分离。通过静态吸附实验得出吸附容量为58.20 mg/g，并且符合Langmuir吸附模型；Cu (II)-MIIP对于Zn (II)和Ni (II)的选择性系数分别是49.44和50.38，表现了高的选择性和印迹效果。重复五次后仍然保持较高的吸附容量，表明该磁性离子印迹聚合物具有较好的再生能力和稳定性。该磁性离子印迹聚合物与电解技术耦联，有望为重金属废水选择性去除和资源化提供了新途径。上述研究成果发表在中科院SCI期刊工程技术二区期刊的Industrial and Engineering Chemistry Research杂志上，并且申请中国发明专利1项，现已通过实审。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 针对目前处理重金属废水主要是尽量去除各种重金属污染物，而不是尽量回收各种重金属的缺陷，本研究拟设计一种具有选择性去除和回收功能的新型材料，为废水中重金属处理提供一种新手段。为了实现上述目的，我们通过溶胶凝胶和表面印迹技术把离子印迹材料的高选择性和Fe3O4的磁分离性能完美结合，成功合成了新型磁性铜离子印迹聚合物，并初步设计基于磁性铜离子印迹聚合物的废水处理新工艺。
科学性、先进性及独特之处
- 1、采用的表面离子印迹技术，解决了本体印迹技术离子包埋深、传质阻力大、模板离子洗脱不完全的问题。 2、赋予离子印迹聚合物磁学性能，能够让这种吸附剂在溶液中迅速分离，克服了传统吸附剂离心和过滤繁琐的操作过程。 3、在处理重金属废水的同时能够选择性回收重金属，并将其与电解技术耦联，为重金属废水资源化提供了新途径。 据知，至今还没有关于在Fe3O4表面合成金属离子印迹聚合物的报道。
应用价值和现实意义
- 将磁性铜离子印迹聚合物与电解技术耦合，能够使铜离子转化为铜单质，实现废水中贵重金属离子的资源化。磁性印迹技术不但提供了一种处理废水中重金属的新方法，而且还具有一定的广义性，不仅能运用于铜离子，也能运用于其他重金属，如Pb2+、Cd2+、Fe3+、Co2+等的分离。既能实现环境生态效益，又具有非常好的应用前景和一定的经济意义。
学术论文摘要
- A novel Cu (II) magnetic ion imprinted polymer (MIIP) was prepared via sol-gel method. The maximum sorptions calculated from the Langmuir isotherm are 58.20 and 23.10 mg/g for Cu (II)-MIIP and magnetic non-imprinted polymer (MNIP), respectively. The kinetics studies showed that the adsorption process obeyed pseudo-second-order kinetic model. The selectivity coefficients of the Cu (II)-MIIP for Cu (II) in the presence of Zn (II) and Ni (II) are 49.44 and 50.38, respectively.
获奖情况
- 1、论文《Selective separation of Cu (II) from aqueous solution with a novel Cu (II) surface magnetic ion-imprinted polymer》已发表在美国化学会《Industrial and Engineering Chemistry Research 》（Ind. Eng. Chem. Res. 2011, 50, 6355–6361）. 2、《磁性金属离子表面印迹聚合物的制备方法和应用》，申请中国发明专利,已通过实审，公开号,201010252060.4。 3、于2011年5月第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛某省赛区获“一等奖”。
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] Andac M, Ozyapı E, Senel S, et al. Ind. Eng. Chem. Res, 2006,45(5):1780-1786. [2] Otero Romaní J, Moreda Piñeiro A, Bermejo-Barrera P, et al. Anal. Chim. Acta, 2008,630(1):1-9. [3] Hoai N T, Yoo D K, Kim D. J. Hazard. Mater, 2010,173(1-3):462-467. [4] Bi X Y, Lau R J, Yang K L. Langmuir, 2007,23(15):8079-8086. [5] Gao B J, An F Q, Zhu Y. Polymer, 2007,48(8):2288-2297. [6] Fang G Z, Tan J, Yan X P. Anal. Chem, 2005,77(6):1734-1739. [7] Wang X B, Ding X B, Zheng Z H. Macromol. Rapid. Comm, 2006,27(14):1180-1184. [8] Birlik E, Ersoz A, Acıkkalp E, et al. J. Hazard. Mater. 2007,140(1-2):110-116.
同类课题研究水平概述
- 重金属是水和土地中最重要的污染之一，主要是通过一些工业废水排放到水环境中。目前，去除废水中重金属离子的吸附剂主要有壳聚糖、天然无机矿物、功能化的聚合物和碳纳米管等。这些吸附剂具有一些共同的缺点例如选择性差、重复使用性低。因此，急需发展一种具有较高选择性和重复使用能力的新型吸附剂。 分子印迹聚合物是一种对目标分子具有特殊识别能力的高分子材料，已经广泛应用于许多领域如固相萃取、色谱分离、薄膜分离、传感器等。离子印迹聚合物与分子印迹聚合物具有相似的原理，它的选择作用是基于配位基的特异性，如离子的配位结构、配位数、价态等。近年来，离子印迹聚合物已经被广泛报道。Andac等用羟乙基甲基丙烯酸酯-N-甲基丙烯酰氯-L-谷氨基酸作为配位单体成功地制备了铝离子印迹聚合物。Otero-Romaní等用2-(二乙基氨基)甲基丙烯酸乙酯作为功能单体制备了镍离子印迹聚合物，并且成功地应用于固相萃取技术检测海水中的镍离子。Hoai等用甲基丙烯酸和乙烯基吡啶为功能单体制备了多孔型铜离子印迹聚合物微粒。离子印迹聚合物的传统合成方法是通过本体聚合、沉淀聚合和悬浮聚合来实现的，虽然具有较好的选择性，但由于离子被深深包埋在聚合物内部，存在吸附容量低，传质阻力大等缺点。 为了克服这些缺点，表面离子印迹技术是一种比较好的选择。近来，表面离子印迹技术引起了人们的广泛关注，由于其模板离子能够比较彻底的去除并具有较快的吸附速率。Bi等成功合成了铜离子表面印迹聚合物，用甘氨酸，甘氨酰替基氨酸和三甘氨酸作为配位基使之功能化，在不同pH值下该铜离子表面印迹聚合物对铜离子表现了高的吸附容量和选择能力。Gao等在硅胶球微粒上制备的离子印迹材料，对模板离子表现了突出的吸附和选择能力。Fang等利用表面印迹技术偶联溶胶-凝胶的方法制备了一种具有离子印迹功能的硅胶吸附剂，这种印迹吸附剂对铅离子的吸附表现出了优良的特性，如较强的耐酸性，以及较高的选择性，在铅离子痕量检测中获得满意的效果。 然而，大部分表面离子印迹聚合物都是在二氧化硅球体粒子的表面合成。如果以Fe3O4为载体将离子印迹聚合物修饰在其表面，这种材料不仅具有高的吸附能力，低的传质阻力和磁性分离的特点，而且将以一种既方便又经济的应用方式取代离心和过滤的过程。而据我们所知，至今还没有关于在Fe3O4表面合成金属离子印迹聚合物的报道。
