[发明专利]多孔环糊精聚合材料及其制备和使用方法

说明书

一种使环糊精(CD)聚合物与刚性芳族基团发生交联的亲核取代反应，其提供了高表面积的介孔的含CD聚合物(P‑CDP)。所述P‑CDP通过封装污染物而形成对活性炭(AC)吸附剂具有互补选择性的明确的主‑客体复合体，从而可用于从水中去除有机污染物。所述P‑CDP可以快速封存药物、杀虫剂和其他有机微污染物，以比AC和无孔的CD吸附剂大15‑200倍的吸附速率常数在数秒内获得平衡结合能力。所述CD聚合物可以通过室温洗涤程序再生数次而无性能损失。

本申请是申请日为2016年4月19日，申请号为201680036119.1，发明名称为“多孔环糊精聚合材料及其制备和使用方法”的中国发明专利申请的分案申请。

对相关申请的交叉引用

本申请要求2015年4月20日提交的美国临时专利申请62/149,975的优先权，其全部公开内容在此参考并入。

关于联邦资助研究的声明

本发明在美国国家科学基金会以基金号CHE-1413862授予的政府支持下完成。联邦政府对本发明享有某些权利。

发明背景

由于人口的增长、持续的工业化和气候变化，发达国家和发展中国家的社区正面临供水减少的问题，并转而投向已受农业溢流或废水排放影响的饮用水资源。被这些人为活动所破坏的饮用水、地表水和地下水含有污染物，包括被称为有机微量污染物的痕量有机化学品，如杀虫剂、药物、个人护理产品成分和其他工业化学品。随着这些污染物受到重视以及分析技术的改进，已经在以较快的速度鉴别出水资源中新兴的有机污染物。虽然关于这些化学品的毒理学数据比较有限，但是已经报道了发育、生殖、内分泌干扰和其他慢性健康的显著效应。此外，这些污染物可能会对作为食物链基础的水生生态系统产生负面效应。现有的用于去除这些新兴污染物的技术可能耗能巨大，昂贵，并且并不总是有效。挥发性有机化合物(VOC)是从工业合成、运输和商业产品(包括溶剂稀释剂、油漆、清洁剂和润滑剂)中排放的一大类大气污染物。已经应用了一些技术(最常见的是通过吸附和封存)来从空气中去除VOC。

可以采用吸附工艺从流体(如空气和水)中去除特定的污染物或污染物种类。活性炭(AC)是用于去除有机污染物的最普遍的吸附剂，其功效主要来源于其高表面积、纳米结构化的孔和疏水性。但是，没有单一类型的AC会很好地去除所有污染物。由于其不明确的结构和结合位点变化，最佳吸附选择性需要在新的装置上进行经验筛选，这阻碍了合理的设计和改进。此外，将用过的AC再生较为耗能(加热到500-900℃或其他高耗能程序)，并且不会恢复全部性能。AC还具有较慢的污染物吸收速率，需要数小时到数天才能达到其吸收平衡，从而使得要更快地去除污染物就需要过量的吸附剂。最后，对于许多新兴污染物，特别是相对亲水的那些污染物来说，AC表现不佳。

一种替代的吸附材料可以从由β-环糊精(β-CD)的不溶性聚合物制得的聚合环糊精材料制得，所述环糊精是由七个葡萄糖单位组成的环状大环，其内部空腔能够结合有机化合物。β-CD是来源于玉米淀粉的廉价且可以持续性生产的单体，其被广泛用于配制和稳定药物、调味剂和香料，以及在手性色谱固定相中使用。不溶性β-CD聚合物通过与环氧氯丙烷和其他具有明确的结合位点和高缔合常数等特点的反应性化合物交联而形成。已经研究了与环氧氯丙烷交联的不溶性β-CD聚合物作为AC的替代物用于水净化，但是其低表面积使得其吸附性能比AC差。

因此，需要能够解决AC的缺陷，并且在例如VOC吸附或水净化应用中以减少的能量投入提供更有效的吸附和/或封存性质的新的吸附剂。需要能够提供快速的污染物提取、高的总吸收量，以及便利的再生和再利用过程的吸附剂。需要便宜的并且能够可靠量产的净化吸附剂。

发明概述

本申请提供了多孔的高表面积的环糊精聚合材料。本申请还提供了制备和使用这些材料的方法。