薄膜扩散梯度技术监测水环境酚类物质的方法学

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薄膜扩散梯度技术(DGT)是一种原位、连续的被动采样技术,经过20年的研究与开发,目前已广泛地应用于水、土壤、沉积物中污染物的采集与分析。DGT方法以Fick’s扩散第一定律为定量基础,本体溶液中待测物以一定的扩散系数通过扩散层,最终被结合相累积完成DGT采样过程。DGT装置的主要组成部分有扩散层和结合相。扩散层不仅有隔离结合相与本体溶液的作用,还起到控制待测物扩散通量的目的,是DGT装置定量采集待测物的基础。结合相是结合从扩散相扩散进来的待测物,使其与扩散相界面的待测物的浓度近似为零,是DGT装置的必要条件。本文采用分子印迹技术制备了几种新型吸附材料,研究了材料对苯酚和对氯苯酚(4-CP)的吸附性能:并将其应用到DGT装置作为新的结合相;同时,利用与有机物作用较小的尼龙膜,作为DGT装置新的扩散层,开发了对水环境中苯酚和4-CP游离形态进行采样的DGT方法,并进行了初步应用。论文主要包括以下几个部分:第一篇为前言部分。第1章介绍了有机物的被动采样方法、DGT技术、酚的分析方法及分子印迹技术。重点介绍了DGT技术装置结构、原理,综述了DGT技术在环境分析中的应用;阐明了本课题的提出依据、研究目的和意义。第二篇为采用分子印迹技术制备苯酚和4-CP的印迹材料。采用红外光谱、扫描电镜和热分析等方法对聚合物结构、表面形貌和热稳定性进行了表征。研究了印迹材料对苯酚或4-CP的吸附性能;初步探讨了印迹材料对苯酚或4-CP的结合机理。第2章中采用沉淀法制备了苯酚和4-CP分子印迹聚合物。以苯酚或4-CP为模板分子,分别以甲基丙烯酸(MAA)和丙烯酰胺(AM)为单体,乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)为交联剂,偶氮二异丁腈(A-BN)为引发剂制备了一系列印迹聚合物和非印迹聚合物。以紫外-可见光谱法研究了单体与模板问的相互作用机理。第3章中采用表面印迹技术制备了硅胶表面苯酚印迹聚合物。以硅胶作为基体材料,采用硅烷偶联剂Y-氨丙基三乙氧基硅烷或巯丙基三乙氧基硅烷或氯丙基三甲氧基硅烷对硅胶表面进行修饰,加入环氧氯丙烷或EDMA进行交联,制备了苯酚印迹硅胶微球。其中,以氯丙基三甲氧基硅烷为硅烷偶联剂对硅胶表面进行修饰,EDMA为交联剂,以及加入复合单体MAA制备的硅胶表面印迹聚合物对苯酚的结合能力较好。第4章探讨了在聚偏氟膜表面复合分子印迹聚合物。以聚偏氟膜作为基体材料,丙烯酰胺或甲基丙烯酸为单体,EDMA为交联剂,制备了以4-CP印迹复合膜。采用红外表征、扫描电镜等进行表征,并初步研究了复合膜对4-CP的吸附性能。第5章以AM为单体,N,N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂合成凝胶。将沉淀法合成的聚合物掺杂在凝胶中,合成了有印迹效果的凝胶聚合物。研究了在不同pH和盐度条件下的凝胶吸水性能。第三篇内容首先提出了作为DGT扩散相和结合相匹配判据,进而研究了DGT技术检测水环境中的苯酚和4-CP的自由形态的方法学。第6章从动力学角度提出了DGT中扩散相和结合相界面待测物的浓度可忽略为零的扩散相和结合相的匹配条件k>>D/△g2。通过待测物在结合相上的累积量与其在一定时间通过体积一定的扩散相的扩散量相等建立平衡,推导待测物在结合相上的结合速率k与待测物通过厚度为Δg的扩散相的扩散系数J[)之间的关系,在满足热力学条件的同时,需满足动力学条件k>>D/Ag2,只有此条件成立,扩散相和结合相界面待测物的浓度才可以忽略为零。第7章建立了水环境中自由形态的苯酚的DGT被动采样方法,分别以尼龙膜为扩散相,印迹凝胶作为结合相。在加标1.0 mg L-1的苯酚合成水中,DGT结合相中苯酚的累积量与时间呈线性关系;且回收率令人满意。当本体溶液pn在3—7和离子强度浓度为0.000l mol·L-1—0.1 mol·L-1 NaCl的合成水溶液,DGT方法可以准确采集水中的苯酚。在加标1.0 mg L-1的苯酚自然水体中,溶解有机碳(DOC)含量的增加,降低了苯酚的自由形态的浓度。在加标为1.O mg L-1的苯酚的工业废水中,DGT方法采集到苯酚,经液相色谱分析浓度为0.54 mg L-1。第8章建立了水环境中自由形态的4-CP的DGT被动采样方法,分别以尼龙膜和印迹凝胶作为DGT装置的扩散相和结合相。在加标1.0 mg L-1的4-CP合成水中,DGT结合相中4-CP的累积量与时间呈线性关系,且回收率令人满意;当本体溶液pH在3—7或离子强度为0.0001 mol·L-1—0.1 mol·L-1 NaCl时,DGT方法可以准确采集水中的4-CP;在加标1.0 mg L-1的4-CP自然水体中由于DOC含量的增加,自由形态的4-CP的浓度有所降低。对某化工厂取出未经处理的中间工业废水通过DGT采集获得4-CP的浓度为1.8 mg L-1,只占4-CP总浓度(4.6 mg L-1)的39.1%,原因可能是部分4-CP被水中DOC所复合,也有可能是部分4-CP被废水中存在的铁的氢氧化物胶体所吸附。
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