新型荧光多孔有机聚合物的制备及其吸附与检测水中六价铬的性能研究

作     者：石灿 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：洪梅

授予年度：2024年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081702[工学-化学工艺] 082803[工学-农业生物环境与能源工程] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0828[工学-农业工程] 070302[理学-分析化学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：多孔有机聚合物 Cr(Ⅵ) 吸附去除 荧光检测 图像识别技术 

摘      要：随着金属矿产资源的开发与利用,工业化进程不断加快,导致大量工业废水的排放及工业废料的堆积,对生态系统与人类健康具有破坏性影响。工业废水中污染物的成分主要为重金属与难降解有机物,具有组成复杂、污染程度高与污染深度大的特点。铬作为典型的金属资源已被广泛用于工业生产,其在环境中的存在形式主要为Cr（Ⅲ）和Cr（Ⅵ）,其中Cr（Ⅵ）具有更高的毒性、溶解度及流动性,对环境造成更加隐蔽与不可逆转性的污染。本文以Cr（Ⅵ）为目标污染物,采用荧光多孔有机聚合物作为吸附剂和荧光传感器,结合吸附法和荧光检测法,同步实现对Cr（Ⅵ）的吸附去除和浓度检测,最终达到治理含Cr（Ⅵ）废水的目标。具体研究内容与成果如下: （1）荧光多孔有机聚合物的制备 基于席夫碱反应,通过溶剂热法与多组分反应系统,制备了粉末状荧光多孔有机聚合物CNEE-1。引入嵌入基质海藻酸钠,进一步制备可塑型球状荧光多孔有机聚合物CNEE-1/SA beads。CNEEs均作为吸附剂与荧光传感器用于吸附去除与荧光检测Cr（Ⅵ）。CNEEs的自然外观颜色为亮黄色,紫外光照射发出橙色荧光。CNEEs表现为无定形含微介孔的正电性骨架结构,带有酰胺键、胍基、氨基与羟基等丰富的官能团,比表面积较大且热稳定性良好。 （2）荧光多孔有机聚合物对Cr（Ⅵ）的吸附性能测试 吸附动力学与吸附等温线结果表明,298 K下CNEE-1对Cr（Ⅵ）的吸附平衡时间与吸附容量为60 h与75.19 mg g–1,CNEE-1/SA beads对Cr（Ⅵ）的吸附平衡时间缩短至12 h,吸附容量增加至80.00 mg g–1。CNEEs的吸附行为均符合拟二级动力学与Freundlich吸附等温模型,属于均匀的多层化学吸附。单因素影响实验与响应面法分析结果表明,CNEE-1对Cr（Ⅵ）的吸附具有良好的抗干扰性,吸附行为受环境因素影响程度较小。实用性研究显示CNEEs具有优异的再生循环性、良好的环境适应性,并且CNEE-1/SA beads具有连续去除Cr（Ⅵ）的能力。主要吸附机理为孔隙填充、亲水作用、静电引力、配位作用、还原作用与螯合作用。 （3）荧光多孔有机聚合物对Cr（Ⅵ）的检测性能测试 荧光光谱分析结果表明,激发波长365 nm处,CNEE-1在580 nm处荧光发射强度最高,发光原理源自醛基与氨基缩合生成C=N时产生的n–π*跃迁。Cr（Ⅵ）滴入实验表明,CNEE-1对Cr（Ⅵ）检测具备有效性与可行性,并且CNEE-1的荧光淬灭程度与Cr（Ⅵ）浓度具有良好的线性关系,荧光淬灭系数KSV=0.324×10～6 M–1,表明CNEE-1对Cr（Ⅵ）具有较好的灵敏度。单因素影响实验结果表明Cr（Ⅵ）对CNEE-1的荧光淬灭不受环境因素干扰。图像识别技术应用结果显示,在一定Cr（Ⅵ）浓度范围内,CNEE-1/SA beads的数字信号与Cr（Ⅵ）浓度呈现良好的线性关系,荧光淬灭系数KSV=0.997×10～3 M–1,检测限LOD=0.90 m M,表明CNEE-1/SA beads对Cr（Ⅵ）的检测具有高灵敏度与低检测限,能够实时检测与反应吸附进程。主要荧光淬灭机理为荧光内滤效应,即Cr（Ⅵ）吸收光谱与CNEE-1的荧光发射重叠干扰CNEE-1吸收入射光而产生的荧光淬灭现象,吸附过程的配位作用、还原作用与螯合作用对荧光淬灭具有协同作用。 本研究成功制备荧光多孔有机聚合物CNEE-1与CNEE-1/SA beads用于水体中Cr（Ⅵ）的可视化吸附与检测,对Cr（Ⅵ）具有高吸附量与高灵敏度,吸附与检测过程受环境因素干扰较小,具有一定的实际工程应用潜力。