上海大学王洪宇课题组Angew：在水相中碘吸附研究领域取得新进展

2021-11-15 来源：高分子科技

核泄漏和医疗废弃物会产生大量的碘污染物，放射性碘（¹²⁹I和¹³¹I）对水和空气的污染严重威胁了生态安全和人类健康。放射性碘具有长半衰期，高毒性以及难以自然分解等特点，如何处理水和空气中的放射性碘引起了广泛关注。碘分离主要采用吸附法、化学沉淀和离子交换等方法。吸附法具有成本低，操作简便，效率高和吸附剂可循环重复使用等优点。目前，碘吸附的研究主要集中在碘蒸气吸附和有机溶液中碘吸附，而水相中碘吸附的研究报道较少。

多孔有机聚合物具有质量轻，稳定性高，高孔隙率以及易于改性的优点，作为新型吸附剂在水相中污染物吸附领域具有广阔的应用前景。超分子大环可以通过主客体包结作用和其他超分子弱相互作用（比如：π-π相互作用，范德华力和亲疏水作用等）有效络合客体分子。将超分子大环作为构建单元引入多孔有机聚合物骨架结构中，可以使其同时具有超分子大环和有机多孔材料的优点。

图1.（a）基于杯[4]吡咯的多孔有机聚合物的合成路线，（b）多孔有机聚合物的结构示意图，（c）杯[4]吡咯单体的晶体结构

在课题组前期研究基础上（Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60(13), 7188-7196; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59(52), 23402-23412.），该团队设计将杯[4]吡咯超分子大环与具有不同电子性质和分子尺寸的双卤代物进行Sonogashira聚合，制备了一系列基于杯[4]吡咯的多孔有机聚合物。氮气吸附与脱吸附测试发现该系列聚合物的BET比表面积较小，但由于聚合物结构中存在大量的碘作用位点（杯[4]吡咯空腔、芳基单元和炔键等），C[4]P-BTP最大碘蒸气吸附能力达到3.38 g g^-1。水相中碘吸附研究发现，C[4]P-BTP可以快速高效的吸附水溶液中的碘，最大吸附量高达3.24 g g^-1，吸附速率常数k_obs达到7.814 g g^-1 min^-1，这些性能均优于已报道的吸附材料。进一步制备以C[4]P-BTP为填充剂的吸附柱，以饱和碘水溶液为流动相，在1 mL min^-1的流速下，吸附效率仍然能达到93.2%，明显优于相同测试条件下活性炭的吸附效率41.2%。

图2. （a）多孔有机聚合物的碘蒸气吸附量对时间图，（b）聚合物的碘蒸气平衡吸附量，（c）碘蒸气吸附前后聚合物的照片

图3. （a）水相中多孔有机聚合物的碘吸附效率对时间图，（b）水相中多孔有机聚合物的碘平衡吸附效率，（c）柱吸附装置图，（d）C[4]P-BTP与活性炭柱吸附前后水溶液的紫外可见吸收光谱以及溶液照片

粉末XRD、UV-Vis/NIR、电子顺磁共振 (EPR) 和 X射线光电子能谱 (XPS)测试证明化学吸附在整个吸附过程中起到主导作用，这与Ho-McKay’s伪二阶动力学模型拟合的动力学结果一致。同时，C[4]P-BTP也具有较好的循环再吸附性能。本研究工作为水相中碘及其它污染物吸附材料的结构设计提供了新思路。

以上相关研究成果是在国家自然科学基金和上海市浦江人才计划等项目资助下完成。论文的第一作者为上海大学理学院硕士研究生谢林煌，通讯作者为王洪宇副教授，共同通讯作者为华中科技大学吉晓帆教授与德克萨斯大学奥斯汀分校Jonathan L. Sessler教授。

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