纳米金刚石复合材料在去除环境污染物中的作用

    2020-03-11 10:01:20 次阅读

    爱美之心,人皆有之。在现代社会中,花花绿绿、各色各样的衣服琳琅满目,而这些五颜六色的服装离不开各式各样的染料。目前,染料在纺织、造纸和皮革制造业中起着举足轻重的作用,每年全球都将生产约160万吨染料。然而在使用染料的过程中,很大一部分染料会作为废物流失,造成主要的水源污染。甚至一些染料还存在剧毒,对人类健康构成了严重威胁。因此,开发高效的工业废水除染料技术显得越来越重要。

    在众多染料去除技术当中,吸附技术以其操作简单、成本低、可设计性好等优点成为最有发展前途和最有效的技术之一。而对于吸附技术而言,选择合适的吸附剂是吸附技术有效性的关键。

    纳米金刚石(Nanodiamonds, ND)是一种新型的碳纳米材料,具有体积小、比表面积大、成本低等优良性质。这些特性使ND易于用不同的试剂进行修饰,并为吸附过程提供了足够的活性位点,因而使其被认为是环境处理中最有前途的吸附剂之一。

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    基于此,来自南昌大学化学学院张小勇教授以及清华大学化学系危岩教授选用离子液体(ILs)3-正十六烷基-1-乙烯基咪唑溴盐([C16VIm+][Br-])为改性单体,通过Michael加成反应设计合成了一种基于离子液体修饰的ND复合材料——ND@IL,并用于偶氮染料的高效吸附。示意图如所示。

    研究人员首先通过NMR、FTIR等表征证明了通过两步反应法,成功将(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)以及离子液体[C16VIm+][Br-]接枝到了ND上,并制备出ND@IL复合材料。如所示,随后利用热重分析不同温度下的失重比例,进一步佐证了复合材料的成功制备。

    除了上述表征外,研究人员通过TEM、EDS能谱分析以及XPS测试,从形貌以及元素变化也能观测到接枝前后材料的变化,如、4所示。

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    材料的制备,目的便是投入实际染料吸附体系中的应用。在实际染料污染控制和处理中,吸附平衡时间是预测吸附剂可行性和效率的关键因素。研究人员选用刚果红(CR)作为偶氮染料的代表,研究了ND@IL对CR的吸附动力学以及吸附容量。如所示,ND@IL复合材料吸附CR的量在前5 min迅速增加,到39 min时吸附量达到226.4 mg g-1。而未经IL修饰的ND材料在49 min时的吸附量仅达到61.1 mg g-1,这归因于未修饰的ND材料表面吸附位点较少。

    随后,研究人员还对该吸附体系的吸附等温曲线、最佳吸附温度以及吸附剂的循环利用性能进行了深入研究。篇幅有限,感兴趣的读者可以点击阅读原文前往。

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    总之,本文报道了一种通过Michael加成反应改性的基于离子液体与纳米金刚石的新型吸附复合材料——ND@IL。由于疏水烷基链和离子嵌段的引入,使得ND@IL复合材料能作为去除有色溶液中偶氮染料刚果红的高效吸附剂。这项工作将为ND基复合材料的环境吸附应用提供一条新的途径。

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