納米材料與納米技術(shù)在水污染物檢測(cè)與選擇性消除

1、納米材料與納米技術(shù)在水污染物檢測(cè)與選擇性消除隨著工業(yè)化的發(fā)展， 水源地及飲用水安全形勢(shì)越來越嚴(yán)峻， 嚴(yán)重威脅著居民 的身體健康。 傳統(tǒng)的水質(zhì)安全檢測(cè)方法雖然有較高的精度和靈敏度， 但檢測(cè)步驟 復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。 而且水體中的毒素成分繁多、 復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測(cè)多種毒 物。我國(guó)天然水體和飲用水中低濃度、高毒性、難降解污染物 （ 如多溴聯(lián)苯醚、 全氟辛酸（磺酸）、消毒副產(chǎn)物、內(nèi)分泌干擾物、PPCPs抗生素）等）很難用基于 高濃度、外加計(jì)量反應(yīng)試劑為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)的物化方法 （如沉降、吸附、濕式氧化 等） 以及生化技術(shù)等進(jìn)行處理， 迫切需要提出建立新型的高效選擇性檢測(cè)和消除 的原理和方法?；瘜W(xué)偵檢分析教

2、研室分析組在 “十二五” 期間將以水中低濃度、 高毒性、 難 降解污染物的檢測(cè)和選擇性消除為目標(biāo)， 開展相應(yīng)的納米材料和納米組裝技術(shù)的 基礎(chǔ)性研究。 以納米科學(xué)的前沿研究成果為基礎(chǔ)， 以納米材料和納米組裝技術(shù)為 基礎(chǔ)的反應(yīng)平臺(tái)， 使其能夠提供或在線構(gòu)造一類特殊微環(huán)境的界面， 通過與污染 物分子的界面相互作用觸發(fā)該納米材料特殊的催化或轉(zhuǎn)化效應(yīng)， 活化綠色廉價(jià)的 氧化劑或還原劑 （ 如分子氧、 H2O2 或其它環(huán)境友好的電子供體 ） ，安全、高效選 擇性地清除這類污染物。從根本上解決長(zhǎng)期以來傳統(tǒng)處理方法對(duì)一般有機(jī) / 無機(jī) 物大量共存條件下無法選擇性清除低濃度（ppm甚至ppb級(jí)）、高毒性、難降解

3、污 染物的難題。以針對(duì)我國(guó)典型水污染物檢測(cè)和治理的納米材料設(shè)計(jì)與構(gòu)建出發(fā)， 闡明納米 材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)與制備條件之間的內(nèi)在聯(lián)系， 實(shí)現(xiàn)納米材料的綠色可控制備； 分 析不同類型納米材料組成、形狀、尺寸、孔徑、表面修飾、納米特性與其在水污 染物傳感和去除方面性能的相關(guān)性， 尋找其內(nèi)在規(guī)律性， 構(gòu)建半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?再通 過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證， 分析預(yù)測(cè)各種納米材料對(duì)特定水污染物檢測(cè)和去除性能； 從分子 水平上深入理解納米傳感機(jī)制及納米催化、 吸附等材料的界面反應(yīng)機(jī)理， 實(shí)現(xiàn)納 米傳感器和納米凈化劑功能設(shè)計(jì)和調(diào)控； 在應(yīng)用研究方面， 探索納米尺度上不同 污染物檢測(cè)體系在微小型化器件上有機(jī)集成和優(yōu)化方案。本研究方向

4、主要思路是針對(duì)現(xiàn)有水處理方法無法去除的水中低濃度、高毒 性、難降解新型污染物，以納米材料和納米組裝豐富的結(jié)構(gòu)和功能特性來選擇性 地俘獲和去除水中低濃度目標(biāo)污染物分子， 揭示目標(biāo)污染物與納米材料或納米組 裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的特殊作用和微觀反應(yīng)原理，經(jīng)過深入研究該原理的普適性和可行 性，實(shí)現(xiàn)高效選擇性地檢測(cè)和消除新型污染物的目的。 選擇性是貫穿本項(xiàng)目的主 線，為實(shí)現(xiàn)選擇性，研究必須做三方面的工作。一是有針對(duì)性的篩選和制備納米 材料和納米組裝結(jié)構(gòu)；二是研究納米材料和納米結(jié)構(gòu)與典型目標(biāo)污染物在表界面 的相互作用和觸發(fā)反應(yīng)的規(guī)律；三是以水中典型污染物為目標(biāo)，依據(jù)選擇性原理 設(shè)計(jì)和制作納米材料和組裝技術(shù)單元， 完

5、成單元技術(shù)集成和示范裝置，并進(jìn)行技 術(shù)的效果和安全性評(píng)價(jià)。總體研究思路見下圖所示。設(shè)計(jì)構(gòu)筑新納米材料及表面改性;發(fā)展基于納米材料與技術(shù)的污染 物檢測(cè)和消除的新原理新方法檢測(cè)、去除效果及安全性評(píng)價(jià)污染物/納米材料表界面相互作用及微觀機(jī)理選擇性檢測(cè)和消除低濃度高毒性難降解污 染物的納米技術(shù)單元和示范裝置研究方案和技術(shù)途徑框圖主要研究?jī)?nèi)容針對(duì)上述問題，并考慮目前我國(guó)在這一前沿領(lǐng)域研究的特色和發(fā)展方向， 緊 緊圍繞如何高效、安全實(shí)現(xiàn)選擇性消除水中低濃度、高毒性、難降解污染物的根 本目標(biāo)開展如下研究：1針對(duì)水中低濃度、高毒性、難降解污染物，構(gòu)造具有識(shí)別和選擇性消除污染 物功能的新型納米材料。構(gòu)建鈦基、鋅

6、 基等新 一代具有特殊結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體納 米復(fù)合材料、負(fù)載型納米金屬和納米合金、納米氧化物和粘土等材料，研究 一定結(jié)構(gòu)、形貌的納米材料在水中和目標(biāo)污染物的選擇性相互作用及與之密 切相關(guān)的吸 / 脫附調(diào)控及表面氧化 / 還原區(qū)域分配，調(diào)控微界面的物理、化學(xué) 性質(zhì)，提高納米材料對(duì)目標(biāo)污染物的識(shí)別和選擇性吸附性能，消除環(huán)境共存 一般物質(zhì)的負(fù)面效應(yīng)。發(fā)展規(guī)?；苽浜徒M裝特殊結(jié)構(gòu)納米材料及納米組裝 的新原理、新方法。2. 建立目標(biāo)污染物 / 納米材料和組裝界面的表征方法， 研究目標(biāo)污染物分子與納 米材料表界面相互作用及其微觀機(jī)理， 揭示界面和組裝結(jié)構(gòu)對(duì)污染物分子光、 電選擇性響應(yīng)的規(guī)律性。 研究納米材料在吸

7、附、 催化反應(yīng)過程中界面的結(jié)構(gòu)、 活性中心、周圍配位環(huán)境的微觀變化及電子轉(zhuǎn)移過程，同時(shí)研究納米材料與 水中共存的一般有機(jī) / 無機(jī)物之間的作用機(jī)理。3. 研究基于納米材料與技術(shù)的水中低濃度、高毒性、難降解污染物的高效選擇 性消除的新體系和新技術(shù)原理，重點(diǎn)發(fā)展以可見光選擇性激發(fā)污染物、基于 等離子體共振效應(yīng)的選擇性活化污染物、選擇性還原為基礎(chǔ)的新方法，研究 目標(biāo)污染物和納米材料表界面作用產(chǎn)生的特殊性質(zhì)， 發(fā)展在一般有機(jī) / 無機(jī)物 共存時(shí)的選擇性消除目標(biāo)污染物的新反應(yīng)類型。4. 研究不同種類目標(biāo)污染物分子在納米材料表面的吸附狀態(tài)、吸附量、化學(xué)修 飾表面對(duì)污染物吸附的影響以及吸附后引起的納米材料的

8、光譜學(xué)變化；根據(jù) 納米材料表面化學(xué)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，建立納米組合化學(xué)與相關(guān)生物篩選方 法用于降低納米材料毒性與增強(qiáng)其對(duì)目標(biāo)污染物的選擇性識(shí)別；同時(shí)還將對(duì) 與本項(xiàng)目相關(guān)的新型納米材料、 納米材料 / 目標(biāo)污染物復(fù)合物和其降解產(chǎn)物進(jìn) 行安全評(píng)價(jià)性。技術(shù)途徑根據(jù)上述思路，按照以下技術(shù)途徑開展本項(xiàng)目的研究：1）構(gòu)造一類特別的納米材料或納米組裝結(jié)構(gòu)， 能夠在一般有機(jī) / 無機(jī)物共存時(shí)對(duì) 水中低濃度、高毒性、難降解污染物有特殊的俘獲和識(shí)別效應(yīng)；針對(duì)水中特 定污染物的特性，結(jié)合前期的工作基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)、構(gòu)建與制備多種新型功能化 納米材料，并選擇性設(shè)計(jì)合成多種功能化有機(jī)分子對(duì)納米材料的表面進(jìn)行改 性；2）研究它們

9、在特定水污染物檢測(cè)和去除方面的性能，在此基礎(chǔ)上篩選可以滿足 水中低濃度、高毒性、難降解污染物快速、高靈敏、特異性檢測(cè)或高效、無 二次污染去除應(yīng)用需求的納米材料，總結(jié)和完善納米尺度、組成、孔徑、表 面修飾基團(tuán)等影響因素的調(diào)控規(guī)律，為研究納米材料的特定污染物傳感機(jī)制 和去除機(jī)制提供機(jī)理上的依據(jù)；發(fā)展對(duì)納米材料及組裝結(jié)構(gòu)界面物理化學(xué)性 能的改性和調(diào)控原理，揭示污染物與納米材料界面的相互作用及微觀機(jī)理。 設(shè)計(jì)和調(diào)控選擇性識(shí)別產(chǎn)生的電化學(xué)、光化學(xué)或其它響應(yīng)，使其能夠高效定 向誘導(dǎo)一類常溫常壓反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、選擇性地消除目標(biāo)污染物。3）在充分表征選定納米材料結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，闡明納米材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)與制備

10、條 件之間的內(nèi)在聯(lián)系，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律并提出理論模型，實(shí)現(xiàn)納米材料的綠色可 控制備；在分子水平上揭示納米材料的特定水污染物傳感和去除機(jī)制，在此 基礎(chǔ)上指導(dǎo)納米材料的合成與表面修飾；4）建立規(guī)?；苽涮厥饨Y(jié)構(gòu)納米材料和納米組裝結(jié)構(gòu)的新方法，發(fā)展利用納米 材料和技術(shù)常溫常壓下、無二次污染、高效選擇性地消除新型污染物的新原 理、新方法。完成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、針對(duì)低濃度、高毒性、難降解污染 物消除的納米技術(shù)單元和示范裝置，并進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。5）納米尺度上將不同污染物檢測(cè)體系在微小型器件上有機(jī)集成和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)污 染物檢測(cè)的簡(jiǎn)便、在線、多通道和智能化，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)將檢測(cè)與樣品前處理、 數(shù)據(jù)分析等其它功能一體化，集成為一個(gè)智能化的全分析系統(tǒng)；6）考察制備的微小型