大粒径共价有机框架微球的制备及其在线固相萃取应用研究

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共价有机框架材料(COFs)是只一类将有机单体通过共价键连接构成的多孔晶型有机聚合物材料。COFs不同于其他聚合物的重要特征是,它们在结构上可预先设计、孔径可调、功能可控。COFs通常具有较低的结构密度、巨大的比表面积、以及优异的机械强度和稳定的化学性质,在能量储存、光催化析氢、传感、膜分离、医疗、污染物处理等领域具有广泛的应用前景。COFs因为有着优异的吸附性能,因此也被用于色谱分离领域。然而,由于合成方法和技术的限制,目前已知的绝大多数COFs都是不规则的形状或是尺寸太小,将其直接作为液相色谱的固定相或用作在线固相萃取(SPE),会导致背压过高和柱效过低,严重阻碍了COFs在相关领域的应用。为解决这一问题,本文首次提出了一种大粒径COFs微球的粒径可控制备方法,并将COFs微球直接作为在线SPE固定相,建立了一种新型在线SPE-HPLC方法,用于检测水中BPF的含量。研究内容如下:第一部分,按文献方法以三苯基氯甲烷为原料,经过三步反应制备了三维氨基单体四-(4-氨基苯基)甲烷(TAM),随后基于TAM和联苯二甲醛(BPDA)间的席夫碱反应,于室温下通过乳液聚合法合成得到无定形TAM-BPDA微球,通过调节乳化时搅拌速率调控微球粒径,再以1,4-二氧六环和水为分散剂,乙酸为催化剂,将制得的无定形TAM-BPDA微球转化为具有相同粒径和形貌以及良好晶体结构的COF-320微球,系统研究了影响COF-320微球粒径、形貌和晶体结构的各种因素,最终实现了大粒径COF-320微球的粒径可控制备。利用多种手段表征了所合成的TAM、球形聚合物以及COF-320微球的形貌、化学成分、结构和热稳定性,并研究了COF-320微球的化学稳定性和制备重现性。结果表明,以二甲基硅油作为油相,DMF为溶剂,十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂,所制备得到的乳液在反应时间内具有良好稳定性;在120下密封反应3天,可将TAM-BPDA聚合物微球转化为具有较好晶体结构的COF-320;所制得的不同粒径COF-320微球均具有很大的比表面积,其中粒径为10±2、40±10和90±10μm的COF-320微球的BET比表面积分别为904.5、810.3和660.2 m~2/g;另外,COF-320微球表现出良好的化学稳定性,除了强酸性条件下,在多种常见溶剂中其晶体结构均无明显变化。第二部分,研究了COF-320微球对双酚F的吸附性能,选择了合适粒径的COF-320微球(40±10μm)直接用作在线SPE填料,装入到HPLC空保护柱(10 mm×4.6 mm)中,测试了萃取柱的通透性、萃取效率和重复使用性能,建立了一种快速、高灵敏检测自来水中双酚F的新型在线SPE-HPLC方法。结果表明,COF-320微球对BPF的最大吸附量为452 mg/g,10 min即可达到吸附平衡;在流动相为甲醇和水(45:55,v/v),流速为2.0 m L/min时,SPE柱的柱背压仅仅只有29 psi;对BPF具有高灵敏的检测能力,在1~400 ng/m L范围内呈良好的线性关系,检测限(S/N=3)低于0.3 ng/m L;经过30次重复性实验,SPE柱的萃取能力基本没有变化,双酚F的萃取率仍为99.75%;在经过大量次数的在线SPE后,COF-320微球仍保持着完整的球状形貌和良好的晶体结构。
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