Pb(II)印迹磁性纳米材料的合成及其吸附性能的研究开题报告

本课题的意义、国内外研究概况、应用前景等（列出主要参考文献）

一、课题的意义

Pb(II)在人体中的过度富集会造成铅中毒。其临床特点为剧烈腹绞痛、贫血、中毒性肝病、中毒性肾病、多发性周围神经病。因此，Pb(II)被列为中国环境优先控制污染物探索从环境中去除Pb(II) 的方法具有一定的现实意义。

二、研究概况

目前，对金属离子废水的处理主要通过三种途径：第一是通过发生化学反应去除；第二是使废水中的重金属在不改变其化学形态的条件下进行吸附、分离、浓缩的方法, 包括溶剂萃取、吸附、离子交换等方法；第三是借助微生物或植物的絮凝、吸收、富集等作用去除^[1]。

常用的处理方法有：化学沉淀法^[2]、离子交换法^[3]、膜分离法^[4]和吸附法^[5]。而实际生产中，沉淀法有时形成的沉淀颗粒细小、沉降速度慢；离子交换树脂有凝胶型和大孔型，前者有选择性，后者制造复杂、成本高、再生剂耗量大，因而在应用上受到很大限制；膜分离法对膜要求较高，且浓缩比有限。而吸附法是用多孔吸附材料吸附废水中金属离子的方法，具有效果好、处理范围宽、反应动力学速度快及经济费用低等特点。传统的吸附材料有矿渣^[6]、泥煤^[7]和硅藻土^[8]等。近年来人们逐渐开发并拓展出新的吸附材料，例如：PEI修饰的碳纳米管^[9]、巯基纤维^[10]、氨基和巯基官能团化的SiO₂^[11]、离子印迹聚合物^[12]和磁性纳米材料^[13]。

磁性纳米材料是20世纪80年代出现的一种新型磁性材料，其中Fe₃O₄为反尖晶石结构的铁氧体，是应用最广泛的软磁材料之一。因其具有优异的物理化学性质以及良好的生物相容性,使其在生物科学和医学领域也有广阔的应用，比如：靶向药物、医疗成像、生物固定和分离、生物传感器和生物热磁疗^[14]。近年来因其具有比表面积大、吸附容量高以及分离速度快的特点，引起了分析化学工作者的广泛关注。Xin XD等^[15]通过一种廉价环保的方法制备出氨基化的介孔纳米Fe₃O₄（AF-Fe₃O₄）。 Fe₃O₄在较低的磁场下能够在1分钟内从水溶液中分离。对Pb² ，Cd² ，和 Cu² 的最大吸附容量在36.90至52.36 mg/g之间。在最优条件下，AF-Fe₃O₄对Pb² ，Cd² ，和Cu² 的去除率可达98%以上。

印迹聚合物具有高度识别性和选择性，同时还具有良好的物理化学稳定性，能够耐受高温、高压、酸碱、有机溶剂等，容易保存，制备简单，易于实现规模化制备，为另一种广泛应用的吸附材料 ^[16]。苏现伐等^[17]利用印迹技术合成了以铅离子为模板离子，甲基丙烯酸为功能单体的离子印迹聚合物，与非印迹聚合物相比，铅离子印迹聚合物对铅离子具有较好的特异吸附性能和选择性识别能力, 对铅离子的特异吸附容量为 0.766 mg/g，而对与铅性质相近的镉、汞、锰、铜和锌金属离子的特异吸附量小, 分别为 0.055 mg/g，0.061 mg/g，0.059 mg/g，0.037 mg/g 和 0.003 mg/g；铅离子在印迹聚合物中的分配系数较其他金属离子大，是镉离子在印迹聚合物中的分配系数约22倍。

总而言之，在外加磁场的作用下，磁性吸附剂可以很方便地与水溶液基体快速分离，与传统吸附材料相比在回收利用上更具优势；采用印迹技术合成的材料，与传统材料相比在吸附选择性上更具优势；因此将两种优势兼备的磁纳米印迹材料是目前的研究热点。

三、应用前景

将具有优异磁性能的Fe₃O₄与分子特异性识别的分子印迹技术相结合，制备出磁性分子印迹聚合物，它兼备了磁性纳米粒子和分子印迹聚合物的共同优点，在外磁场的条件下，可以直接选择性分离富集分析物，达到快速简便的分离。因此，磁性分子印迹技术具有快速、简便、富集效率高、成本低等优势，将其与常用的光谱、色谱等仪器联用，可以发展灵敏、可靠、快捷的检测方法，在无机污染物的快速富集痕量分析物方面有较好的应用前景。

四、参考文献

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研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析

(1) 研究方法：

1) 查阅相关文献，设计并合成出Pb(II)印迹磁性纳米材料以及非印迹材料。

2) 对原始合成路线进行改进，提高印迹材料的吸附容量和选择性。

3) 对两种材料进行表征

a) 用能量色散谱分析两种材料表面的元素种类和丰度。

b) IR光谱检测两种材料的特征基团。

c) 利用XRD以及TEM表征两种材料的表面形态。

4) 探索印迹材料的最佳吸附pH，提高印迹材料的吸附容量，以非印迹材料作比较，探索印迹材料的选择性。

5) 探索印迹材料的洗脱条件。

(2) 技术路线、实验方案：

1) 印迹的材料合成

a) 表面硅羟基修饰Fe₃O₄的制备

b) Pb(II)印迹材料的合成(非印迹材料不加入模板离子，其余操作与印迹材料相同)

模板Pb² 与（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷的巯基配位，然后在氨水的作用下（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷水解出硅羟基并与 Fe₃O₄表面硅羟基脱水缩合。

3)印迹材料吸附与解吸过程示意图

(3) 可行性分析

1) 本实验所用的研究方法成熟可靠，各实验步骤均有可靠的理论依据。

2) 实验所需的药品均可购买得到，而且大部分都是我们平时接触到的试剂。实验所需的器材基本是实验室中能满足的，即使不能满足也能通过资源共享得到解决。