水净化纳米材料设计与应用技术

水净化纳米材料设计与应用技术

       纳米材料通常被定义为至少在一个维度上小于100 nm的材料。在纳米尺度,相比于通常尺度下纳米材料通常会呈现出小尺寸效应下的特异性质。这些特性目前正在被研究用于水和污水的处理。部分纳米材料的水处理应用主要利用了纳米材料高比表面积、溶出度快,反应性高,吸附性强等特性。利用微纳米多孔材料的吸附、分离、传感等功能特性,结合国家环境可持续发展战略中亟待解决的重大环境问题,课题组近年来以介孔材料合成技术、静电纺丝技术、金属有机框架晶体材料制备技术等为研究基础,制备了一系列新型环境功能材料。相关研究成果实现了水体中染料、重金属等污染物的快速高效净化。

 

1. 制备了功能化的纳米纤维介孔吸附材料,具有较高的比表面积和可提供重金属离子和染料活性吸附位点的有机官能团(如-NH2、-SH等),因此可用于吸附分离、水质净化等领域。

图1.(a)功能化介孔材料合成机理示意图(b)静电纺丝法制备多孔纤维吸附材料示意图。

 

2. 制备基于金属有机框架化合物的纳米吸附材料。所制备的纳米多孔吸附剂对水体有机污染和重金属具有高效的吸附作用。如课题组制备的基于MOF材料ZIF-8的纳米吸附剂对水体中重金属具有非常有效的吸附效果,在低平衡浓度(10μg/L)下的吸附量达到已报道文献中的最高值:76.5mg/g。

图2. 金属有机框架材料对砷的吸附去除机理示意图

 

3. 基于胶体晶体阵列的金属有机框架化合物薄膜的制备。采用表面功能化的胶体晶体作为基体材料,运用金属离子-有机配体层层自组装的方法制备出具有蛋白石结构的MOF薄膜。该结构具有特征光学信号,可用以研究MOF结构中的主客体化学作用,具有可设计性强和可反复使用等优点。通过改变胶体晶体的表面功能基团,结合无限可调的MOF材料,可设计出一系列更多用途的功能材料,在催化和传感等领域应用前景非常广阔。