了得網自然科學_可控結構高分子吸附材料

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全書反映了國內外吸附材料的發展概況、領域前沿研究和應用現狀及交叉領域的進展，特別是作者根據自身三十多年在吸附材料構建及應用領域的研究工作，給讀者娓娓講述了高分子吸附材料結構構建的科學思路、研究方法及工程應用實例。……作者在書中針對高吸油高分子材料吸油速率、吸油倍率、材料強度等世界性技術瓶頸進行詳細分析、討論，提出了從分子尺度和微納尺度孔道兩個層面進行解決的思路，向讀者展示了如何通過深入研究，取得創新性發現和突破性進展，並走向工程應用的過程。——中國工程院院士張全興教授

內容簡介

《可控結構高分子吸附材料》是在國家科學技術學術著作出版基金資助下，由蘇州大學路建美教授團隊編寫，內容包括從吸附材料的基礎研究到工業化應用實例及成果。全書共分六章，包括緒論，高吸油高分子材料、高吸水高分子材料、重金屬離子吸附材料的制備及性能，可控結構高分子吸附材料的應用以及其他新型吸附材料及其在環境治理中的應用研究等。從各種吸附材料的國內外研究和應用現狀出發，首先找出各類吸附材料存在的主要科學問題和技術瓶頸，其次從結構設計和工程化應用的角度提出解決思路，揭示了如何通過深入研究取得創新性發現和突破性進展，並走向工業化應用的過程。通過具體的吸油、吸水和吸重金屬離子材料的研究案例與應用示範，向讀者展示了我國吸附材料及其應用技術的快速發展以及取得的巨大成就。《可控結構高分子吸附材料》可供高分子材料、環境科學和工程專業的科研人員、工程技術人員以及大學師生參考，也可作為化學、化工和材料等相關專業科研人員的參考書。

作者簡介

路建美，蘇州大學副校長，教授，博士生導師。兼任*環境科學與工程類專業教學指導委員會委員，中國環境科學學會理事，江蘇省化學化工學會副理事長及應用化學專業委員會主任，江蘇省化工行業協會副會長，江蘇省中小企業公共技術服務協會理事，並擔任化學及材料領域多個國際知名期刊的特邀審稿人。先後主持了國家“863計劃”重點項目、國家科技支撐計劃、國家自然科學基金重點項目等13項，實現產業化項目25項；研究成果獲得國家技術發明二等獎1項，國家科技進步二等獎1項，省部級科技一等獎3項、二等獎3項。獲授權發明專利55項，其中美國發明專利3項。在包括Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater.等國際化學及材料領域期刊在內的國內外學術期刊上共發表學術論文355篇，H因子為29；主編著作2部，參編著作2部。

第1章緒論1

1.1吸附材料的分類及特點 1

1.1.1按吸附對像和功能分類 2

1.1.2按化學結構性質分類 5

1.2可控結構吸附材料的國內外研究及發展概況 8

1.2.1可控結構高吸油高分子材料的發展概況 8

1.2.2可控結構高吸水高分子材料的發展概況 11

第1章緒論1

1.1吸附材料的分類及特點
        1

1.1.1按吸附對像和功能分類                 2

1.1.2按化學結構性質分類                  5

1.2可控結構吸附材料的國內外研究及發展概況          8

1.2.1可控結構高吸油高分子材料的發展概況          8

1.2.2可控結構高吸水高分子材料的發展概況         11

1.2.3高分子重金屬離子吸附材料的發展概況         12

1.3固-液界面理論在可控結構高分子吸附材料設計中的應用    14

1.3.1接觸角和潤濕性                   14

1.3.2粗糙表面的潤濕性理論                15

1.3.3特殊潤濕表面的研究                 16

參考文獻 18

第2章高吸油高分子材料的制備及性能23

2.1高吸油高分子材料的吸油原理               23

2.1.1高吸油高分子材料對油分子的吸附作用力        24

2.1.2高吸油高分子材料吸油原理              26

2.1.3高吸油高分子材料的飽和吸附時間           27

2.1.4高吸油高分子材料的吸油倍率             28

2.1.5高吸油高分子材料的吸油熱力學            29

2.1.6高吸油高分子材料的吸油動力學            30

2.2高吸油高分子材料的分類                 31

2.2.1橡膠基體為主的高吸油材料              31

2.2.2樹脂類高吸油材料                  32

2.2.3纖維狀合成吸油材料                 32

2.2.4天然材料改性吸油材料                33

2.3高吸油高分子材料的制備                 33

2.3.1高吸油高分子材料的聚合單體             33

2.3.2高吸油高分子材料的交聯方式             35

2.3.3高吸油高分子材料的聚合工藝             37

2.4高吸油高分子材料的性能調控               41

2.4.1具有協同吸附作用的功能單體結構構建         45

2.4.2高吸油高分子材料彈性三維網絡空間結構構建      52

2.4.3高吸油高分子材料微納孔道構建            57

2.4.4其他因素對高吸油高分子材料性能的調控        58

2.5高吸油高分子材料的成型加工               64

2.5.1高分子吸油纖維                   64

2.5.2高分子吸油非織造布                 67

2.5.3海綿狀高吸油高分子材料               68

2.6高吸油高分子材料的發展方向               77

參考文獻 78

第3章高吸水高分子材料的制備及性能84

3.1高吸水高分子材料的吸水機理               86

3.1.1高吸水高分子材料的結構特點             86

3.1.2高吸水高分子材料的吸水理論             87

3.1.3高吸水高分子材料的基本性能參數           90

3.1.4高吸水高分子材料的其他理化特性           92

3.2高吸水高分子材料的分類                 92

3.2.1按原料類別分類                   93

3.2.2按交聯反應的類型分類                94

3.2.3按親水化方法分類                  95

3.2.4按產品形態分類                   96

3.3高吸水高分子材料的制備                 97

3.3.1高吸水高分子材料的主要原料
           97

3.3.2高吸水高分子材料的合成方法             102

3.4高吸水高分子材料的性能調控               114

3.4.1高吸水高分子材料的性能影響因素           114

3.4.2高吸水高分子材料的性能優化             119

3.5高吸水高分子材料產品開發的主要問題與發展方向      127

3.5.1產品開發與高吸水高分子材料的基礎理論研究脫節    127

3.5.2產品開發與生產工藝研究和優化的脫節         128

3.5.3產品開發與產品應用研究脫節             128

3.5.4高吸水高分子材料的發展方向             129

參考文獻                          130

第4章重金屬離子吸附材料的制備及性能134

4.1重金屬離子吸附原理                   134

4.1.1重金屬離子的配位能力                135

4.1.2吸附材料中吸附功能化基團對重金屬離子的親和力    135

4.1.3重金屬離子吸附模型                 136

4.2重金屬離子吸附材料的分類                139

4.3重金屬離子吸附材料的制備                140

4.3.1表面修飾高分子重金屬離子吸附材料的制備       140

4.3.2功能單體聚合高分子重金屬離子吸附材料的制備     151

4.3.3有機-無機復合重金屬離子吸附材料的制備       160

4.4高分子重金屬離子吸附材料的性能及調控          165

4.4.1吸附容量                      165

4.4.2吸附速率                      168

4.4.3吸附選擇性                     172

4.5高分子重金屬離子吸附材料的發展方向           187

參考文獻 189

第5章可控結構高分子吸附材料的應用194

5.1可控結構高吸油高分子材料的應用             194

5.1.1高吸油高分子材料在含有機污染物廢水處置中的應用   194

5.1.2高吸油高分子材料在低濃度有機廢水的深度處理中的應用   216

5.1.3高吸油高分子材料在突發性環境水污染處置中的應用   221

5.1.4高吸油高分子材料在高濃度工業尾氣(VOCs）治理中的應用 225

5.1.5高吸油高分子材料在低濃度有機廢氣治理中的應用    237

5.2可控結構高吸水高分子材料的應用             239

5.2.1高吸水高分子材料在衛生醫療方面的應用        240

5.2.2高吸水高分子材料在農業方面的應用          243

5.2.3高吸水高分子材料在建材行業中的應用         245

5.2.4高吸水高分子材料在環保方面的應用          247

5.2.5高吸水高分子材料在食品工業方面的應用        249

5.2.6高吸水高分子材料在日化用品方面的應用        250

5.3可控結構重金屬離子吸附材料的應用            251

5.3.1水體中重金屬離子吸附技術              251

5.3.2土壤中重金屬離子吸附技術              256

5.3.3鹵水中鋰離子吸附技術                258

參考文獻                          259

第6章其他新型吸附材料及其在環境治理中的應用研究263

6.1泡沫類材料的制備及其性能研究              265

6.2纖維類吸附材料的制備及其性能研究            274

6.3石墨烯類復合材料的制備及其性能研究           281

6.4網格類復合材料的制備及其性能研究            294

參考文獻                          306

索引309

前言

人類社會利用吸附現像的歷史可以追溯到石器時代，可謂歷史悠久。隨著第二次世界大戰後第三次科學技術革命的蓬勃興起，吸附技術作為一種新興技術越來越為廣大科研和工程技術人員所利用，先後發展了針對固、氣、液等不同吸附質對像的吸附材料，比較典型的有吸水材料、吸油材料（油包括原油、成品油、有機物小分子等）及重金屬離子吸附材料。吸附技術是去除污染物為簡單和高效的方法之一，它利用吸附材料三維網絡、多孔或活性表面等獨特結構使吸附質被吸附材料吸引，從而從體繫中去除吸附質。它具有吸附材料來源廣泛、吸附量大、吸附速率快、操作簡便、二次污染小等優點，適當的時候吸附材料還可以再生並重復使用，吸附質可回收利用，符合可持續發展的要求。而吸附材料是吸附技術的關鍵！從環境領域實際應用的角度來看，目前得到實際推廣應用的吸附材料有常見的活性炭吸附劑，同時，具有可控結構的有機高分子吸附材料由於原料豐富、結構和功能可調、有望實現產業化等特點，而成為目前極具市場潛力的一類吸附材料。有機高分子吸附材料主要是指由含乙烯基的有機單體交聯而成的人工合成高分子或者由澱粉、纖維素等天然高分子與有機單體接枝共聚而成的聚合物，其三維空間網絡骨架結構使得吸附材料具有較大的吸附空間和較高的凝膠強度，而交聯骨架上的側鏈功能基團則提供對吸附對像的親和力（驅動力），其吸附作用除了範德華力、氫鍵外，還包括化學鍵和螯合作用、陰陽離子電荷作用等。關於有機高分子吸附材料的研究及應用一直深受諸多學者和工業界的關注，而編者結合三十多年來對有機高分子吸附材料的研究經驗編著本書。從20世紀80年代開始，編者即開始高吸水材料的研究，到了海灣戰爭時期又開始關注高吸油材料。近年來，隨著全世界突發性油污染事件和重金屬污染事件的頻發，以及工業廢水、廢氣、土壤污染的日益嚴重，環境治理的需求也愈加顯得迫切。編者帶領其科研團隊在快速吸油材料和重金屬離子吸附材料方面取得了創新性的成果，借助本書分享給廣大讀者。本書所述的高吸水材料、高吸油材料以及重金屬離子吸附材料是具有可控結構的有機合成高分子吸附材料，不僅可以通過交聯劑的種類和用量調節高分子骨架網絡空間的大小，並且可以通過化學或物理作用引入不同結構與性能的基團進行改性。吸附材料通過其適當交聯度下形成的三維空間網絡骨架結構和通過有機功能單體引入的側鏈功能基團兩者的作用下，迅速完成對水、油或者重金屬離子的吸附過程。本書首先綜述了上述三類吸附材料的發展概況，然後基於基本吸附原理提出吸附材料結構和性能調控的新機理與新理論，指導新單體及新交聯劑結構設計，為後續高性能吸附材料的制備提供基礎。後就每一類材料在工農業生產和環境保護等多個領域中的應用作了簡單的介紹。重點介紹了如何通過功能性單體和交聯劑的結構設計實現對吸附材料的性能調控，提出了分子協同吸附機理和剛性/柔性鏈共存構建合適網絡空間的新理念。分別從吸附油類、水以及重金屬離子等三個方面出發，闡述了單體及交聯劑的結構對吸附材料的強度、吸附容量、吸附速率、保持能力等重要參數的調控規律，為高性能吸附材料的發展提供理論支持。感謝國家科學技術學術著作出版基金資助。本書內容主要源自於編者團隊在有機高分子吸附材料方面三十多年的研究成果及國內外同行的相關研究。本書由路建美等著，第1章由路建美執筆，第2章由路建美、李華執筆，第3章由路建美、李娜君執筆，第4章由路建美、徐慶鋒執筆，第5章由路建美、李華、李娜君、徐慶鋒、陳鼕赟等執筆，第6章由路建美、陳鼕赟、李娜君等執筆。全書由路建美統稿。感謝以上各位編者研究團隊的老師為書稿各章節的編寫所做的大量工作，也感謝團隊王麗華、賀競輝等老師以及蔡亞輝、李院院等幾位研究生對本書編寫過程中給予的支持。本書的主要成果是在國家“863”計劃、國家環保部公益專項、國家科技支撐計劃等項目的資助下完成的，相關成果“可控結構吸附材料構建及控制油類污染物的關鍵技術”榮獲國家技術發明二等獎，另獲國家科技進步二等獎1項、省部級一等獎3項及二等獎3項。對於國家各級科研管理部門和廣大專家朋友給予的關心和支持，我們表示衷心的感謝！在本書的編著過程中，還參考引用了眾多專家學者的研究成果，使本書內容得以充實提高，在此一並表示感謝。本書可供高分子材料、環境科學和工程專業的科研人員、工程技術人員以及大學師生參考，也可作為化學、化工和材料等相關專業科研人員的參考書。由於作者水平有限，書中難免存在不足之處，懇請讀者批評指正。路建美2017年12月於蘇州大學

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