纳米材料与纳米技术在水污染物检测与选择性消除.doc

纳米材料与纳米技术在水污染物检测与选择性消除 随着工业化的发展，水源地及饮用水安全形势越来越严峻，严重威胁着居民的身体健康。传统的水质安全检测方法虽然有较高的精度和灵敏度，但检测步骤复杂，费时费力。而且水体中的毒素成分繁多、复杂，很难实现同时检测多种毒物。我国天然水体和饮用水中低浓度、高毒性、难降解污染物 (如多溴联苯醚、全氟辛酸(磺酸)、消毒副产物、内分泌干扰物、PPCPs(抗生素)等) 很难用基于高浓度、外加计量反应试剂为基础的传统的物化方法(如沉降、吸附、湿式氧化等) 以及生化技术等进行处理，迫切需要提出建立新型的高效选择性检测和消除的原理和方法。化学侦检分析教研室分析组在“十二五”期间将以水中低浓度、高毒性、难降解污染物的检测和选择性消除为目标，开展相应的纳米材料和纳米组装技术的基础性研究。以纳米科学的前沿研究成果为基础，以纳米材料和纳米组装技术为基础的反应平台，使其能够提供或在线构造一类特殊微环境的界面，通过与污染物分子的界面相互作用触发该纳米材料特殊的催化或转化效应，活化绿色廉价的氧化剂或还原剂 (如分子氧、H2O2或其它环境友好的电子供体)，安全、高效选择性地清除这类污染物。从根本上解决长期以来传统处理方法对一般有机/无机物大量共存条件下无法选择性清除低浓度(ppm甚至ppb级)、高毒性、难降解污染物的难题。以针对我国典型水污染物检测和治理的纳米材料设计与构建出发，阐明纳米材料的结构参数与制备条件之间的内在联系，实现纳米材料的绿色可控制备；分析不同类型纳米材料组成、形状、尺寸、孔径、表面修饰、纳米特性与其在水污染物传感和去除方面性能的相关性，寻找其内在规律性，构建半经验模型，再通过实验来验证，分析预测各种纳米材料对特定水污染物检测和去除性能；从分子水平上深入理解纳米传感机制及纳米催化、吸附等材料的界面反应机理，实现纳米传感器和纳米净化剂功能设计和调控；在应用研究方面，探索纳米尺度上不同污染物检测体系在微小型化器件上有机集成和优化方案。本研究方向主要思路是针对现有水处理方法无法去除的水中低浓度、高毒性、难降解新型污染物，以纳米材料和纳米组装丰富的结构和功能特性来选择性地俘获和去除水中低浓度目标污染物分子，揭示目标污染物与纳米材料或纳米组装结构产生的特殊作用和微观反应原理，经过深入研究该原理的普适性和可行性，实现高效选择性地检测和消除新型污染物的目的。选择性是贯穿本项目的主线，为实现选择性，研究必须做三方面的工作。一是有针对性的筛选和制备纳米材料和纳米组装结构；二是研究纳米材料和纳米结构与典型目标污染物在表界面的相互作用和触发反应的规律；三是以水中典型污染物为目标，依据选择性原理设计和制作纳米材料和组装技术单元，完成单元技术集成和示范装置，并进行技术的效果和安全性评价。总体研究思路见下图所示。设计构筑新纳米材料及表面改性发展基于纳米材料与技术的污染物检测和消除的新原理新方法检测、去除效果及安全性评价选择性检测和消除低浓度高毒性难降解污染物的纳米技术单元和示范装置污染物/纳米材料表界面相互作用及微观机理研究方案和技术途径框图主要研究内容针对上述问题，并考虑目前我国在这一前沿领域研究的特色和发展方向，紧紧围绕如何高效、安全实现选择性消除水中低浓度、高毒性、难降解污染物的根本目标开展如下研究：1. 针对水中低浓度、高毒性、难降解污染物，构造具有识别和选择性消除污染物功能的新型纳米材料。构建钛基、锌基等新一代具有特殊结构的半导体纳米复合材料、负载型纳米金属和纳米合金、纳米氧化物和粘土等材料，研究一定结构、形貌的纳米材料在水中和目标污染物的选择性相互作用及与之密切相关的吸/脱附调控及表面氧化/还原区域分配，调控微界面的物理、化学性质，提高纳米材料对目标污染物的识别和选择性吸附性能，消除环境共存一般物质的负面效应。发展规模化制备和组装特殊结构纳米材料及纳米组装的新原理、新方法。2. 建立目标污染物/纳米材料和组装界面的表征方法，研究目标污染物分子与纳米材料表界面相互作用及其微观机理，揭示界面和组装结构对污染物分子光、电选择性响应的规律性。研究纳米材料在吸附、催化反应过程中界面的结构、活性中心、周围配位环境的微观变化及电子转移过程，同时研究纳米材料与水中共存的一般有机/无机物之间的作用机理。3. 研究基于纳米材料与技术的水中低浓度、高毒性、难降解污染物的高效选择性消除的新体系和新技术原理，重点发展以可见光选择性激发污染物、基于等离子体共振效应的选择性活化污染物、选择性还原为基础的新方法，研究目标污染物和纳米材料表界面作用产生的特殊性质，发展在一般有机/无机物共存时的选择性消除目标污染物的新反应类型。4. 研究不同种类目标污染物分子在纳米材料表面的吸附状态、吸附量、化学修饰表面对污染物吸附的影响以及吸附后引起的纳米材料的光谱学变化；根据纳米材料表面化学结构与性质的关系，建立纳米组合化学与相关生物筛选方法用于降低纳米材料毒性与增强其对目标污染物的选择性识别；同时还将对与本项目相关的新型纳米材料、纳米材料/目标污染物复合物和其降解产物进行安全评价性。技术途径根据上述思路，按照以下技术途径开展本项目的研究：1） 构造一类特别的纳米材料或纳米组装结构，能够在一般有机/无机物共存时对水中低浓度、高毒性、难降解污染物有特殊的俘获和识别效应；针对水中特定污染物的特性，结合前期的工作基础，设计、构建与制备多种新型功能化纳米材料，并选择性设计合成多种功能化有机分子对纳米材料的表面进行改性；2） 研究它们在特定水污染物检测和去除方面的性能，在此基础上筛选可以满足水中低浓度、高毒性、难降解污染物快速、高灵敏、特异性检测或高效、无二次污染去除应用需求的纳米材料，总结和完善纳米尺度、组成、孔径、表面修饰基团等影响因素的调控规律，为研究纳米材料的特定污染物传感机制和去除机制提供机理上的依据；发展对纳米材料及组装结构界面物理化学性能的改性和调控原理，揭示污染物与纳米材料界面的相互作用及微观机理。设计和调控选择性识别产生的电化学、光化学或其它响应，使其能够高效定向诱导一类常温常压反应，实现高效、经济、选择性地消除目标污染物。3） 在充分表征选定纳米材料结构的基础上，阐明纳米材料的结构参数与制备条件之间的内在联系，总结经验规律并提出理论模型，实现纳米材料的绿色可控制备；在分子水平上揭示纳米材料的特定水污染物传感和去除机制，在此基础上指导纳米材料的合成与表面修饰；4） 建立规模化制备特殊结构纳米材料和纳米组装结构的新方法，发展利用纳米材料和技术常温常压下、无二次污染、高效选择性地消除新型污染物的新原理、新方法。完成具有自主知识产权的、针对低浓度、高毒性、难降解污染物消除的纳米技术单元和示范装置，并进行安全性评价。5） 纳米尺度上将不同污染物检测体系在微小型器件上有机集成和优化，实现污染物检测的简便、在线、多通道和智能化，争取实现将检测与样品前处理、数据分析等其它功能一体化，集成为一个智能化的全分析系统；6） 考察制备的微小型器件