新型高效纳米结构树状大分子用于处理水中重金属离子

重金属污染是最紧迫的挑战之一。重金属在生物体内积累，比其它污染物在环境中的存留时间更长。目前，全世界对环境污染的关注度持续增加，特别是与有害重金属有关的污染引起了人们的高度重视。重金属密度高、毒性大，即使是少量的重金属也会对环境造成重大危害。美国环境保护署（USEPA）已确定了八种最常见的重金属，包括铅（Pb）、铬（Cr）、砷（As）、锌（Zn）、镉（Cd）、铜（Cu）、汞（Hg）、镍（Ni）等。因其配位化学性质，一些重金属也被定性为不必需（非常危险）的微量元素，它们不属于传统的重金属。重金属毒性高且致癌，对人类和其它动物以及植物都有害。由于更严格的法规，重金属是当今最严重的环境风险之一。为了去除重金属离子，已经采用了多种技术，包括化学沉淀法、离子交换法、吸附法、膜过滤法、电化学处理等。但这些方法有许多局限性，如效率低、操作条件棘手、能量要求高、产生有害物质沉淀、成本不合算等。

由于独特的性质，如纳米尺寸、多孔隙、比表面积大、反应性强、机械性能好、强亲水性和分散性等，纳米级树枝状大分子可有效地吸附重金属。过去的几十年，纳米材料吸附剂对去除重金属离子显示出特别的优势。树枝状分子具有特殊的结构和可捕获其它分子的众多的分子内间隙。因此，树枝状大分子的主客体化学是一个重要的研究课题。树枝状大分子被称为“二十一世纪的聚合物”。由于树枝状大分子表面、内部、核心结构都可针对不同应用进行设计，目前已合成了超过50种不同的树枝状大分子家族，每种都有不同的特性。树枝状大分子为污染物（如重金属、多环芳烃和染料）的封装提供了很大的负载能力。

影响吸附剂效率的因素很多，包括温度、pH、搅拌时间、初始浓度等。为了去除污染物，吸附剂应与目标重金属离子具有高度的吸附相互作用。基于三嗪的树枝状大分子目前被认为是合成树状配体和金属配合物的佳选。印度高等科学技术研究所、科学学院的Jigar V. Patel等以1,3-二(4,6二氯-1,3,5-三嗪-2-基)硫脲为树枝状大分子骨架，构建了具有8、32、128个端羟基的树枝状大分子，并将其作为一种新型吸附剂从水溶液中去除镍、钴、锌离子。作者利用质谱、FT-IR、1H NMR、13C NMR、TEM对这些树枝状大分子进行了表征。结果发现，第三代树枝状大分子具有最高的吸附能力。溶液的pH、接触时间、代数对吸附量均有影响。FT-IR和TGA测试表明，树枝状大分子中存在被吸附的金属离子。

图. 基于三嗪的树枝状大分子

文献来源：Vidhi Patel, Princy Patel, Pravinkumar M. Patel*, Jigar V. Patel*. Inorganic Chemistry Communications 2023, 148, 110381.