功能化石墨烯复合吸附材料固相萃取新技术开发—基于ICP-MS测定地质样品中超低含量稀土元素

This project intends to use small organic molecules to modify graphene, and further loading these functionalized nanomaterial into a series of ordered mesoporous or magnetic nano materials, thus achieving (magnetic) solid-phase extraction composites for ultra-trace rare earth elements (REEs) enrichment in multiple low REEs content geological samples including sea water, stalagmites or pyrites ( monominerals ) et al.. Both the large specific surface area and the specific functional groups endow these adsorbent materials with superior adsorption capacity, selectivity and rapid adsorption of trace amounts of REEs within a few minutes. The implementation of project is advantageous to the overcome the weaknesses involved in traditional ion exchange resin separation in the aspect of large reagent consumption, low efficiency and labor intensity.

本项目拟利用有机小分子对石墨烯表面进行改性和功能化修饰，将功能化的石墨烯材料与固相萃取，磁固相萃取等样品前处理方式相结合，开发一系列新的地质样品中痕量，超痕量稀土元素的分离富集新技术。用于分析海水，石笋，黄铁矿（单矿物）或条带状磁铁矿（BIF）等多种化学成分复杂，稀土元素含量极低的地质样品。将特异性识别稀土元素的有机官能团修饰到石墨烯表面，并将石墨烯材料固载到有序介孔材料、磁性材料上，制备功能化的石墨烯复合吸附材料。基于该功能化吸附材料的超大的比表面积及极高的选择性吸附能力，实现对痕量稀土元素的快速吸附（几分钟即可达到吸附平衡）的同时，兼具优良的高吸附容量和极佳的萃取选择性。项目完成后将获得新的超痕量地质样品中稀土元素的分离富集新技术，改变传统使用离子交换树脂进行分离耗时，耗酸，工作强度大的状况。

稀土元素不仅是一种有远景的矿产资源，而且稀土元素在地质学中具有重要的示踪意义，它们在地质体中的分布与组合规律是一定的地质和物理化学条件的反映。通过对稀土元素的地球化学特征进行研究，可以揭示矿物甚至矿床的成因，指导找矿，为地质学的发展提供有力的技术支撑。因此，对各类地质体中稀土元素的研究就有重要意义。.随着材料科学的发展，特别是纳米材料科学的发展，为分析化学拓展了新的方向和领域。而探索纳米材料在分析化学中的应用已经成为当代科研领域的研究热点之一。磁固相萃取技术（MSPE）使用磁场进行分离，不需要使用常规的SPE小柱，省去了装柱，用酸预处理，长时间的淋洗的步骤，因此大大减少了劳动强度。.磁性纳米氧化铁颗粒已被广泛研究。我们研究小组，详细考察了几类制备磁性纳米材料的化学方法，如：溶胶－凝胶法，共沉淀法，水热合成法，高温分解法。我们最后选择采用水热合成法合成磁性颗粒，所用原料简便易得，所制备产物在水中分散性较好，便于进行改性和应用。其次，所得产物的晶型较好，形貌和尺寸可控，所得产物形貌不错，可以大规模制备，方便下一步修饰和应用。在探索了磁性材料的合成之后，我们进一步制备了核壳结构的四氧化三铁纳米颗粒，在其外部修饰分子刷高分子聚合物。对海水和白云鄂博尾矿坝中的废水进行实验，发现对部分稀土元素有很好的富集效果。磷酸次磷酸是分离效果非常好的萃取剂。不过，磷酸类萃取剂更加倾向于富集重稀土。而冠醚类配体与磷酸类相反，倾向于富集轻稀土。因此，我们将两类配体在磁性颗粒表面共聚，制备成功一系列二元识别磁性吸附剂，可以同时富集轻重稀土。该类分子刷磁性吸附剂，拥有类似一个海葵的结构。分子刷就像海葵的触手，可以有效的增加其比表面积。两类不同的配体显示出非常好的协同作用，可以同时有效的富集轻重稀土。利用其对海水样品进行磁固相萃取分离，ICP-MS分析，取得非常好的效果。另外，我们尝试用该类材料对白云鄂博尾矿坝废水中的稀土进行回收实验，可以有效的对废弃资源进行回收再利用。