用于特异性分离饮用水中2,4-二氯苯氧乙酸的分子印迹聚合物的设计、合成及识别机理研究

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2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)是目前世界上应用最为广泛的氯代苯氧型除草剂之一,对人畜具有一定的毒副作用,在世界许多国家和地区的水体中已经检测出了2,4-D的残留。因此,与2,4-D的吸附与分离有关的研究已经成为环境污染物防治领域的热点。吸附与离子交换技术以其操作简便、使用条件温和、成本低廉和富集效率高等特点而被广泛应用于2,4-D的吸附与分离检测。但是常见的吸附剂存在吸附容量小、吸附选择性差和吸附时间过长等缺点,因此设计开发出一种高效和高选择性的吸附剂已经成为环境污染物防治领域的重要研究方向。  分子印迹技术是一项以分子识别理论为基础,通过人工设计、合成具有特定结构和功能的分子识别材料的新技术。利用该技术制备的分子印迹聚合物对复杂环境中的目标分子具有高效的特异性识别能力,已经广泛应用于环境污染物的检测与防治工作中。但是,目前分子印迹体系的筛选与优化工作预定性较差,工作量较大,周期较长等。近年来,分子模拟技术已经成为辅助设计分子印迹聚合物和分析其识别机理的重要手段。  本研究采用分子模拟方法和分子印迹技术,运用理论预测与实验制备相结合的方法,设计并合成了用于特异性吸附分离饮用水中2,4-D的分子印迹材料。首先,采用分子力学和分子动力学方法对分子印迹预组装体系中可能形成印迹位点的原子之间的径向分布函数与氢键进行分析,预测了模板分子、功能单体、交联剂和溶剂之间的定性与定量关系,确定了适合于特异性吸附分离2,4-D的分子印迹体系。然后在分子模拟结果的基础上,运用本体聚合方法,合成了一系列的分子印迹材料,研究与评价了其在饮用水中对2,4-D的特异性吸附性能,并对分子模拟的预测结果与实验分析结果的一致性与可靠性进行了检验。  分子模拟预测与实验分析结果表明:(1)分子印迹预组装体系的结构与乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)的浓度有关。对以甲基丙烯酸(MAA)为功能单体组成的分子印迹预组装体系而言,有效印迹位点的形成的动力学主要受2,4-D与MAA之间的氢键作用和EGDMA的协同作用影响,形成的印迹位点包括2,4-D与MAA之间和2,4-D与EGDMA之间两种类型,其中2,4-D与MAA之间的相互作用占主导地位;对以4-乙烯基吡啶(4VP)为功能单体组成的分子印迹预组装体系而言,分子印迹预组装体系的结构和2,4-D与4VP之间的作用强度受EGDMA的浓度影响较大,分子预组装体系的有效印迹位点是均质化的,主要位于2,4-D与4VP之间。另外,EGDMA与2,4-D之间的作用机率与作用强度主要与功能单体的数量有关。(2)根据分子模拟结果,以2,4-D为研究对象,成功合成了一系列的分子印迹材料,研究与评价了其在饮用水中对2,4-D的特异性吸附性能。当2,4-D、MAA与EGDMA的比例为1∶1∶30时,合成的分子印迹聚合物对2,4-D不仅具有良好的特异性识别能力,而且具有快速的动力学结合、较高的重复利用率等优点。本研究建立的一套分子模拟技术与分子印迹技术的联用方法为合理、高效的富集和特异性吸附分离环境污染物提供了一种新思路。
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