[发明专利]一类能高效清除水中痕量芳香烃及其衍生物的可再生水处理剂、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于吸附功能材料和水净化材料，具体涉及一类能高效清除水中痕量芳香烃及其衍生物的可再生水处理剂、制备方法及其应用。

背景技术

有机污染物的治理是当今全人类共同面临的紧迫挑战。1996年美国环保部列出的优先控制的129种污染物“黑名单”中，有机物约占86%，其中又以芳香烃及其衍生物为主，如芳烃、卤代芳烃，酚类，苯胺类。这类化合物因毒性大、难降解被称之为持久性有机污染物。芳烃污染物由于难溶、难挥发、难降解、难清理而持续通过水源、植物性食品、动物性食品供给人类。由于其缓慢累积效能而具有隐蔽性，可在大量人群中突然大规模爆发，因而有人称之为“化学定时炸弹”。其毒性特征主要体现在致癌、致畸和致突变。

检测表明芳香烃在生物圈的浓度自二十世纪以来呈持续的明显的上升趋势，这和现代生产和生活方式有关。即使立即改变这些生产和生活方式，这些污染物在土壤中仍将长期维持高浓度。芳香烃尽管在水中的溶解度有限，但其累积作用导致的危害很大，而且能通过动植物富集。常见的水体中往往同时含有多种痕量有机污染物，例如纺织、印染和造纸业都容易造成水体的有机污染，其中很大一部分属于亲水性芳烃衍生物，一般来说毒性相对亲油芳烃而言小一些。

理想的水处理剂应能高效快速地同时清除水中的各种污染物，并能方便地从水中分离出来。现在已经有多种方法针对严重污染的水进行处理，但针对含痕量芳香污染物的处理方法很少。常见的氧化法、生物降解法、活性炭吸附法对微量污染物有一定效果，但对去除痕量芳香烃化合物大多很不理想。例如生物降解法需要较长时间的生物培养，化学氧化法需要加入可观的化学处理剂。更为重要的这些方法不适合处理ppb 级（10亿分之一）的芳香污染物。稠环芳香烃的毒性更为突出，尽管在水中溶解度很低（例如芘在水中的溶解度大约为140 ppb），但其累积作用使它们成为不可忽视的污染源。根据相似相容原理，为了捕捉水中的憎水芳烃，最好由含芳香环的憎水化合物来完成。但通常的憎水材料和水中污染物的接触几率很小，难以快速捕捉水中的芳香烃。降低材料的颗粒尺寸是增大接触面积的有效方法，但这在制备技术上有一定困难，因为憎水有机微小颗粒在水中容易相互聚集。即使能制备出微米、纳米级小颗粒，收集并从水中分离这些小颗粒粒子也常常是个棘手问题。

在申请号为2013100004915的专利申请书中介绍了将多胺负载到了高表面积的宏观尺寸的多孔二氧化硅颗粒上。其中的二氧化硅提供了很大的表面积，便于多胺与水的高效接触，同时其较大的宏观尺寸便于过滤分离。该材料能快速捕捉水中的阴离子性染料，并有较好的再生能力。但该材料主要针对亲水的芳香染料。 

近年的研究表明，当将互不相容的聚合物共价连接在一起时，就可能出现微相分离，即结构相似的基团会聚集到一小块区域，但是由于共价键的限制，这些区域不可能很大。从技术上看，为了获得高表面的亲油微区，采用微相分离技术是重要途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一类能高效清除水中痕量芳香烃及其衍生物的可再生水处理剂、制备方法及其应用。

本发明是在已有申请号为2013100004915的专利申请书上的进一步发展。该技术利用方便易得的多孔二氧化硅颗粒作为载体负载超支化的多胺，因而使得位于表层的多胺具有很高的表面积；同时由于载体材料具有较大的尺寸，能方便地从水中分离出来。本发明利用了上述材料的高表面和易分离特性，但更主要的是发明了利用微相分离技术形成高表面的有机憎水微区，这些微区能快速有效地捕捉水中的芳香烃，并能同时捕捉阴离子性亲水有机芳烃衍生物。这些微区的形成需要几个条件：其一是利用超支化聚合物的多官能团特性，在多胺上同时接上高密度的芳香基团和多条亲水的聚乙二醇链；其二是芳香基团与多胺通过柔性链连接，在水环境中容易相互靠近并堆积成憎水微区，但由于共价键的限制，这种憎水微区不可能变得很大；其三是亲水的聚乙二醇链有利于材料分散在水中，使憎水微区与水的接触面积充分大，就有可能快速捕捉水中的芳香烃。另外，其中的超支化多胺在这里不仅提供高密度官能团作为芳香基团和PEG的衍生支架，还能作为功能区去捕捉水中的阴离子有机物。

本发明提出的一类能高效清除水中痕量芳香烃及其衍生物的可再生水处理剂，所述可再生水处理剂为二氧化硅表面共价负载一层多胺，多胺表面经多个芳香基团和聚乙二醇链共价修饰，其结构如下所示：                                               。

本发明中，所述二氧化硅负载多胺为1毫米到1厘米的多孔颗粒。