新型共价有机聚合物多孔材料对抗生素污染物的吸附机理研究

As a group of novel porous materials, covalent organic frameworks (COFs) are expected to be potential effective adsorbent based on their uniform pore structure, high surface area and large pore volume. However, adsorption of organic pollutants on covalent organic frameworks has not been systematically investigated. Antibiotics pollution causes ecological risk and demands effective control. Our preliminary experimental results revealed that covalent triazine frameworks showed high ability to adsorb sulfamethoxazole from aqueous solution. Yet there is no report of adsorption of antibiotics on covalent organic frameworks so far, and the intrinsic mechanism remains unclear. The objective of this project is to systematically investigate the adsorption mechanism of typical antibiotic chemicals on covalent organic frameworks. Two groups of covalent organic frameworks will be prepared with B3O3 ring and triazine ring in respective framework, and surface-functionalized covalent organic frameworks with various surface polarity and acidity/alkalinity will be obtained via surface chemical reactions. Adsorption-desorption behaviors of typical antibiotic chemicals on covalent organic frameworks will be systematically studied, the adsorption mechanism will be elucidated, and the relationships between the structural and surface chemical characteristics of covalent organic frameworks and the efficiency for antibiotics adsorption will be discussed in depth.

共价有机聚合物多孔材料是一类由C、N、B等元素通过共价键连接而形成的多孔材料，具有均一刚性孔道、高比表面积和大孔体积，且孔结构和化学特性可调，具备作为优良吸附材料的潜力。但这类材料吸附有机物的研究仅限于甲基橙等染料，未见系统报道。抗生素药物污染构成潜在生态风险，亟待进行有效控制。我们的前期研究结果表明，具有三嗪结构单元的共价有机聚合物多孔材料对磺胺甲噁唑等抗生素化合物显示优良吸附性能，但相关研究未见报道，其中的作用机制尚不明确。本项目拟系统研究共价有机聚合物多孔材料对典型抗生素药物的吸附作用机制。合成以硼和氮为骨架的共价有机聚合物多孔材料；通过控制合成条件及表面官能化反应调变其孔道结构和表面酸碱性。研究典型抗生素化合物在材料上的吸附、脱附行为，阐明吸附机理，揭示材料结构和表面化学特性与其抗生素吸附效能间的关联规律，为发展可高效富集和去除水中抗生素化合物的新型吸附材料提供理论指导和技术支撑。

共价有机聚合物多孔材料因具有均一的孔道、高比表面积和较大的孔体积，可望作为吸附剂去除水中的有机污染物。近年来，抗生素药物污染日益普遍，造成潜在的生态风险，亟待采用有效手段进行控制和处理。. 本项目研究通过改变单体和反应条件，制备了具有不同孔道结构和表面特性的共价有机聚合物多孔材料，并采用多种技术对其进行了结构表征。研究了磺胺甲噁唑、泰乐菌素和四环素等抗生素药物在这类材料上的吸附行为，探究了吸附机制并考察了水化学条件对材料吸附抗生素药物的影响。研究结果显示，共价有机聚合物多孔材料可高效吸附去除水中的抗生素药物，其吸附性能主要由材料的孔道和表面特性决定。较小的磺胺甲噁唑分子在CTF-1的微孔中因孔填充效应而获得较高的吸附量，而分子尺寸较大的泰乐菌素和四环素则由于分子筛效应，更适合在具有丰富中孔孔道的CTFDCBP中吸附，因而材料的孔道特性对于吸附选择性具有显著影响。抗生素药物在共价有机聚合物多孔材料上的吸附机制除了疏水分配之外，还存在路易斯酸碱作用、π-π 电子交互作用和阳离子-π键等多种机制。pH、离子强度和水中存在的腐殖酸等对于不同抗生素药物在共价有机聚合物多孔材料上的吸附存在不同的影响方式，其增强或减弱吸附的内在原因与吸附机制密切相关。. 本项目研究初步揭示了共价有机聚合物多孔材料的结构和表面特性与其吸附抗生素性能之间的关联，这些规律性的认知对于设计和制备用于高效去除水中其它典型有机污染物的吸附剂材料也具有科学的指导意义和借鉴价值。