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配位超分子重金属沉淀剂：合成、性能与应用的深度探究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着工业化和城市化进程的快速推进，重金属污染问题日益严重，已成为全球关注的环境焦点之一。重金属是指密度大于4.5g/cm3的金属，如铅（Pb）、汞（Hg）、镉（Cd）、铬（Cr）、砷（As）等。这些重金属在自然环境中难以降解，并能通过食物链不断富集，对生态系统和人类健康构成了巨大威胁。

在工业生产过程中，采矿、冶炼、电镀、化工、电子等行业都会产生大量含重金属的废水、废气和废渣。据统计，全球每年仅通过工业废水排放到环境中的重金属就高达数百万吨。这些未经有效处理的重金属污染物进入水体、土壤和大气后，会引发一系列严重的环境问题。在水体中，重金属会导致水质恶化，影响水生生物的生存和繁衍。例如，汞污染会使鱼类体内积累大量甲基汞，人类食用受污染的鱼类后，甲基汞会在人体内蓄积，损害神经系统，引发水俣病等严重疾病；镉污染会导致水生生物生长发育受阻，甚至死亡，并且镉还会通过灌溉进入土壤，污染农作物，进而危害人体健康。在土壤中，重金属会降低土壤肥力，影响土壤微生物的活性，导致土壤生态系统失衡。长期食用受重金属污染土壤种植的农作物，会使重金属在人体内逐渐积累，引发各种慢性疾病，如铅中毒会影响儿童的智力发育，铬污染则可能导致癌症等。

目前，处理重金属污染的方法众多，包括化学沉淀法、电解法、离子交换法、吸附法和膜分离法等。其中，化学沉淀法因具有投资成本低、运行费用少等显著优势，在实际应用中较为广泛。然而，传统的化学沉淀剂如氢氧化物、碳酸盐等，在处理复杂的络合重金属废水时，存在诸多问题。一方面，它们的沉淀速率较慢，导致处理效率低下，难以满足工业生产中快速处理废水的需求；另一方面，传统沉淀剂的使用剂量较大，不仅增加了处理成本，还可能引入新的杂质，造成二次污染。此外，对于一些络合态的重金属，传统沉淀剂的去除效果并不理想，难以使废水达到严格的排放标准。

为了克服传统化学沉淀法的这些缺陷，开发新型高效的重金属沉淀剂迫在眉睫。配位超分子化学作为一门新兴的交叉学科，为解决这一问题提供了新的思路。配位超分子化合物是通过金属离子与有机配体之间的配位作用形成的具有特定结构和功能的超分子体系。这类化合物不仅具有较小的溶解度和较大的分子量，还结合了聚合物和配位化合物的优点，展现出良好的沉降性能。将配位超分子作为重金属沉淀剂，有望实现对络合重金属的高效去除，提高沉淀速率，减少沉淀剂的使用剂量，降低处理成本，同时减少二次污染，具有重要的理论意义和实际应用价值。通过深入研究配位超分子重金属沉淀剂的合成、性能及其应用基础，能够为重金属污染治理提供更加有效的技术手段，推动环境保护和可持续发展，具有深远的社会、经济和环境意义。

1.2国内外研究现状

重金属污染治理一直是环境科学领域的研究重点，配位超分子重金属沉淀剂作为一种新型的处理材料，近年来受到了国内外学者的广泛关注。

在国外，早在1989年Robson等首次报道了配位聚合超分子，此后配位聚合超分子在催化、吸附、磁性和光学材料等方面的应用研究取得了蓬勃发展。但将其应用于环保领域处理重金属污染的研究起步相对较晚。部分研究聚焦于开发新型的配位超分子结构，通过分子设计来提高对特定重金属离子的选择性和亲和力。例如，有研究团队设计合成了具有特定空腔结构的配位超分子，利用空腔与重金属离子之间的尺寸匹配和配位作用，实现对重金属离子的高效捕获。在实际应用研究方面，一些国外学者探索了配位超分子沉淀剂在不同工业废水处理中的应用，如电子工业废水、电镀废水等，并对处理后的水质进行了详细分析，评估其对环境的影响。

国内对于配位超分子重金属沉淀剂的研究也逐渐深入。中山大学的付丰连等人以配位超分子理论为基础，设计和合成含双基和三基二硫代氨基甲酸型的配位超分子（CS）沉淀剂。制备了含双基的二硫代氨基甲酸基团的CS沉淀剂N，N’-双一二硫代氨基甲酸哌嗪钠（BDP），研究表明在BDP/Cu2?和BDP/Ni2?化学计量比1：1时，BDP能将初始浓度为50.00mg/L的含自由Cu2?和Ni2?的废水处理到低于我国《污水综合排放标准》（GB8978-96）中的一级排放标准。对同浓度的CuEDTA和柠檬酸镍废水则需提高10％BDP的剂量才能达标排放。黄兰等人设计和合成了新的三基配位聚合超分子试剂二硫代氨基三聚氰酸钠（TDC），实验结果表明，TDC对Cu2?、CuEDTA、Ni2?、Hg2?、Pb2?等金属离子的沉淀效率都在99％以上，处理后的废水能达到重金属废水的国家一级排放标准，且它具有较宽的pH应用范围，在4-13的pH范围内，pH的变化对沉淀效果不受影响。

尽管目前国内外在配位超分子重金属沉淀