高效去除水中双酚A及其类似物的新型碳纳米材料设计及作用机理研究

Endocrine-disrupting chemicals (EDCs) can imitate the biological activity of natural hormones. The exposure to EDCs may cause various adverse effects on human beings and animals even at low exposure levels. Bisphenol A (BPA) (2,2-bis(4-hy-droxyphenyl)propane) as one of the typical EDCs has been largely produced and discharged into natural water, finally pose an increasing risk to the environment. In this project, nano-adsorption technology is applying for the removal of BPA and its analog from water solution, and novel carbon nanoarchitectures are designing and fabricating for the fast and efficient enrichment of BPA. The effect of solution pH, temperature, BPA concentration and natural humic acid on BPA adsorption will be investigated. Meanwhile, the impact of intrinsic properties (surface area, doping atoms, pore size) of the adsorbents on BPA adsorption will be studied by tailoring the structure and surface properties of the carbon nano-adsorbents. The obtained experimental data combined with various characterization techniques and DFT calculations will applied for revealing the mechanisms of BPA adsorption onto novel nanocarbons. The prospective findings will not only provides a new approach for the removal of EDCs pollutants from water solution but also promotes nanotechnology for practical application in water treatment, demonstrating the great scientific significance.

低浓度的内分泌干扰物的暴露就能对人和动物的健康产生不良影响。双酚A (2，2-二（4-羟基苯基）丙烷）作为一种内分泌干扰物，被大量的排放到自然水体中，对环境造成了越来越严重的危害。本课题拟采用纳米吸附技术去除水中的双酚A及其类似物，设计并合成具有快速高效富集水中双酚A及其类似物的碳纳米材料。通过静态吸附实验，研究pH、温度、双酚A浓度及天然腐植酸对双酚A吸附的影响。通过对材料结构和表面性质的调控，研究材料本征特性（如比表面积、掺杂、孔径等)对双酚A富集的影响。结合各种表征手段和密度泛函理论(DFT)计算，阐明碳纳米材料与双酚A的相互作用，揭示双酚A的在新型碳纳米材料上吸附去除的机理。本项目的研究不仅为水中内分泌干扰素类微污染物的去除提供新的途径，也将大大推动纳米水处理技术的实际应用，具有重要的科学意义。

低浓度的内分泌干扰物的暴露能对人和动物的健康产生不良影响。双酚A (2，2-二（4-羟基苯基）丙烷）作为一种内分泌干扰物，被大量的排放到自然水体中，对环境造成了越来越严重的危害。本项目研究了多种高效去除水中双酚A的新型碳纳米材料体系，包括碳纳米洋葱、碳纳米管、石墨烯等。首先从材料合成入手，采用蜡烛灰为原料，制备出廉价的碳纳米洋葱材料；采用简单的一锅法，制备出具有磁性的竹节状碳纳米管材料；采用自模板法自下而上合成氮掺杂石墨烯材料，并实现了上述材料的大规模制备。研究发现，上述具有大的比表面积和表面活性的新型碳纳米材料，具有高的吸附能力和催化活性，能有效去除水中低浓度的双酚A。双酚A在上述碳纳米洋葱、碳纳米管、石墨烯上的吸附容量达到65.77、328.63、317.8 mg/g。本研究，首次发现双酚A、双酚C、双酚F在氮掺杂石墨烯材料上的吸附容量与其疏水性质成正比，为新型纳米吸附材料的设计和制备提供了有利的指导。此外，本研究首次将碳纳米材料的大比表面积的特性与其催化活性结合，开发出“吸附富集-催化降解”耦合的新型水处理技术，成功实现了对水中低浓度双酚A的高效去除。在N-石墨烯/过硫酸盐体系，pH中性条件下，超过98.6%（70 mg/L）的双酚A可以在80分钟内被去除; 在磁性竹节状碳纳米管/过硫酸盐体系，pH中性条件下，超过97.0%（70 mg/L）的双酚A可以在80分钟内被去除。上述碳纳米材料，在循环使用五次后仍能保持80%以上的性能，有力的证明了本研究所开发的基于碳纳米材料的“吸附富集-催化降解”耦合技术，具有潜在的应用前景。本项目的研究不仅为水中内分泌干扰素类微污染物的去除提供了新的材料和技术手段，也将大大推动纳米水处理技术的实际应用，具有重要的科学意义。