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氨基功能化硅基介孔材料：水中EDTA铜络合物与草甘膦吸附特性及机制解析

一、引言

1.1研究背景与意义

水是人类赖以生存和发展的重要资源，然而，随着现代工农业的迅猛发展，水资源污染问题日益严峻。大量未经处理或处理不达标的工业废水、农业污水以及生活污水被排放到自然水体中，使得水中的污染物种类和含量不断增加，严重威胁着生态环境和人类健康。据统计，全世界每年约有4200多亿立方米的污水排入江河湖海，污染了5.5万亿立方米的淡水，这相当于全球径流总量的14%以上。在我国，水污染问题同样不容乐观，全国75%的湖泊出现了不同程度的富营养化，90%的城市水域污染严重，对118个大中城市的地下水调查显示，有115个城市地下水受到污染，其中重度污染约占40%。

在众多的水污染物中，EDTA铜络合物和草甘膦备受关注。EDTA铜络合物通常由工业废水和自然水体中的铜离子与EDTA络合而成，常见于电镀、冶金、化工等行业的生产废水。由于EDTA具有很强的络合能力，能与铜离子形成稳定的络合物，使得EDTA铜络合物在水中难以通过传统的沉淀、过滤等方法去除。这种络合物不仅具有较高的稳定性，还可能对环境和生物造成毒性影响，其含有的铜离子若进入自然水体，会对水生生物的生长、繁殖产生抑制作用，通过食物链的富集，最终危害人类健康。

草甘膦作为一种广谱、高效、内吸传导型有机磷除草剂，自20世纪70年代问世以来，在全球农业生产中得到了极为广泛的应用。2023年，全球草甘膦产量达到8.43×105t，而我国草甘膦产量为6×105t，占全世界草甘膦产量的70%以上。然而，随着草甘膦使用量的持续增加以及使用范围的不断扩大，其对环境的潜在影响逐渐显现。草甘膦极易溶于水，在常见的水中往往被检测到。它进入土壤的途径多样，田间施药、雨水冲刷、大气沉降等都可能使其进入土壤环境，进而对土壤微生物、土壤动物以及土壤理化性质产生一系列影响，还可能通过扩散转移到水体，对水生生物产生毒性效应，通过生物富集作用对人体健康构成潜在威胁。

氨基功能化硅基介孔材料作为一种新型的吸附材料，在水处理领域展现出了巨大的应用潜力。介孔材料具有特殊的孔结构，其孔径分布介于2-50nm之间，拥有孔道大小均一、排列有序、孔径可在一定范围内连续调节等重要特征，还具备较大的孔容、高的比表面积以及良好的水热稳定性。通过对硅基介孔材料进行氨基功能化修饰，使其表面引入氨基官能团，这些氨基官能团能够与水中的污染物发生静电作用、络合作用等，从而实现对污染物的高效吸附去除。研究氨基功能化硅基介孔材料对水中EDTA铜络合物和草甘膦的吸附性能及机理，不仅有助于深入了解该材料在水处理中的作用机制，为其实际应用提供理论依据，还能为解决日益严重的水资源污染问题提供新的方法和途径，具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

在国外，对于氨基功能化硅基介孔材料吸附EDTA铜络合物的研究，有学者深入探讨了材料表面氨基官能团与EDTA铜络合物中铜离子的络合机制，通过光谱分析等手段，揭示了络合过程中化学键的形成与变化。在吸附动力学和热力学方面，也开展了大量研究，明确了温度、初始浓度等因素对吸附过程的影响规律。关于氨基功能化硅基介孔材料吸附草甘膦，有研究关注材料的孔结构和表面性质对吸附性能的影响，发现较大的孔容和比表面积有利于草甘膦分子的扩散和吸附，且氨基与草甘膦负离子之间的静电作用在吸附过程中起关键作用。

国内学者在该领域也取得了丰富成果。在制备氨基功能化硅基介孔材料方面，不断优化合成工艺，提高材料的性能和稳定性。在吸附EDTA铜络合物的研究中，对比了不同制备方法得到的材料的吸附效果，分析了影响吸附性能的因素，如氨基负载量、溶液pH值等。对于草甘膦的吸附，有研究结合量子化学计算，从微观层面解释了氨基与草甘膦之间的相互作用本质，为材料的进一步优化提供了理论支持。

然而，当前研究仍存在一些不足之处。一方面，对氨基功能化硅基介孔材料吸附EDTA铜络合物和草甘膦的多因素协同作用研究不够深入，实际水体中污染物的存在形态和环境条件复杂多样，多种因素相互影响，而目前对这些因素之间的协同作用机制尚不完全明确。另一方面，在材料的实际应用研究方面相对薄弱，如材料在连续流处理系统中的性能稳定性、使用寿命以及与其他水处理技术的联合应用等方面，还缺乏足够的研究和实践。

1.3研究内容与创新点

本研究主要围绕以下几个方面展开：首先，采用合适的方法制备氨基功能化硅基介孔材料，通过对合成工艺的优化，如控制反应温度、时间、反应物比例等条件，调控材料的孔结构、比表面积以及氨基负载量，以获得性能优良的吸附材料。其次，系统研究制备的材料对水中EDTA铜络合物和草甘膦的吸附性能，考察不同