【基金标书】2010CB933500-纳米材料与技术在水中污染物选择性消除中的应用基础研究.doc

项目名称:
纳米材料与技术在水中污染物选择性消除中的应用基础研究
首席科学家:
赵进才中国科学院化学研究所
起止年限:
2010年1月-2014年8月
依托部门:
中国科学院
一、研究内容
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,迫切需要提出或建立新型的高效选择性消除的原理和方法。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。本项目将以水中低浓度、高毒性、难降解污染物的选择性消除为目标,开展相应的纳米材料和纳米组装技术的基础性研究。
本项目将重点研究:在大量一般有机/无机物共存条件下,纳米材料和纳米组装结构与低浓度、高毒性、难降解目标污染物分子产生特殊相互作用所遵循的内在物理化学原理和科学规律;污染物分子在纳米材料表界面上的相互作用诱导产生高效选择性清除或转化目标污染物的新原理和新途径;在上述原理和规律指导下发展相应的具有特定组成、结构、形貌和特殊功能的纳米材料和纳米组装技术单元和集成技术。
拟解决的关键科学问题
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;
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。
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。
主要研究内容
针对上述科学问题,并考虑目前我国在这一前沿领域研究团队的特色和发展方向,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:
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。
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。
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。
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。
进行纳米材料和纳米组装结构技术单元的集成,研发出适用于一定规模的针对目标污染物选择性消除的示范装置。
二、预期目标
总体目标
针对在一般有机/无机物相对过量共存的条件下经济有效地去除水中低浓度、高毒性、难降解污染物的难题,研究和发现纳米材料的结构-效应关系及产生特殊选择性的纳米材料的结构调控、组合原理,发展若干种污染物选择性消除的纳米材