基于重金属离子治理的巯基木质纤维素/蒙脱土纳米复合吸附材料的制备

With the natural renewable polymer lignocellulose and inorganic clay mineral montmorillonite as raw materials, which are abundant in the Inner Mongolia Autonomous Region, sulfhydryl-lignocellulose will be synthesized by a chemical molecular modification mean of connecting sulfhyl to the structure of lignocellulose, in order to enhance the chelation and the surface activity of lignocellulose in this project. And then from the microscopic point of view, the three-dimensional structure of two kinds of natural macromolecule polymers are analyzed, sulfhydryl-lignocellulose will be intercalated into layered structure of montmorillonite, a new adsorbent sulfhydryl-lignocellulose/montmorillonite nanocomposite will be prepared. the optimal preparation conditions of sulfhydryl-lignocellulose/montmorillonite nanocomposite will be determined by altering each impact factor. The structure will be characterized by XRD, FRIT，SEM, XPS,TEM and HNMR. The static adsorption and desorption properties of sulfhydryl-lignocellulose/montmorillonite nanocomposite for heavy metal ions in industrial wastewater will be investigated by varying each influencing parameter, in order to define the optimal adsorption and desorption conditions. Different changes in appearance and functional groups before and after adsorption will be comparative studied by FRIT, SEM, TEM, XPS and DTA-TG. Treatment of adsorbent recycling and regeneration, along with adsorption mechanism will be discussed in detail. The research results will have important theoretical significant for the utilization of lignocellulose and the pollution control of heavy metal ions in industrial wastewater. Moreover this study will also give a way expected to realize ecological benefits, economic benefits and social benefits harmonized development in our autonomous region .

本文以内蒙古自治区储量丰富的天然可再生资源木质纤维素为原料，通过分子化学改性的手段，将巯基引入木质纤维素分子骨架上，合成巯基木质纤维素，增强螯合作用和木质纤维素的表面活性，从微观角度分析巯基木质纤维素和蒙脱土的三维空间结构，并利用插层复合法制备得巯基木质纤维素/蒙脱土新型纳米复合材料。确定巯基木质纤维素/蒙脱土制备的最佳条件和反应方法，采用XRD、FRIT、SEM、TEM、XPS、HNMR现代分析手段进行结构表征。探索巯基木质纤维素/蒙脱土纳米复合材料对废水中重金属离子的吸附和解吸性能，考察各种因素对纳米复合材料吸附和解吸性能的影响，寻找最佳的吸附和解吸条件。FRIT、SEM、TEM、XPS和DTA-TG对比分析吸附和解吸前后纳米复合材料的外观形貌和各类活性功能基团的变化，探讨吸附剂循环再生条件和吸附机理。研究结果对木质纤维素的深度开发利用和工业废水中重金属离子的污染治理有重要的理论意义。

随着现代工业经济的快速发展，采矿、冶炼、电子、化工、医药等企业每年排放的大量含有重金属离子的工业废水，造成了我国水体重金属污染的日益加剧，并最终对人体健康造成极大的危害。目前，利用储量丰富且廉价易得的生物质材料对废水中重金属离子进行去除并回收处理的吸附法具有广阔的应用前景。木质纤维素（LCS）是一类具有三维空间结构的可再生聚合物资源，也是一种天然多孔性高分子材料，其结构中富含有多种活性功能基团，对重金属离子具有潜在的吸附能力，但因其多分散性和结构不均一性，在实际的应用中吸附能力受到一定的限制。以蒙脱土（MTN）为典型代表的层状硅酸盐粘土矿物，具有来源广泛、价廉易得、离子交换性强，片层可以剥离成更薄的单晶片而具有较大的比表面积，对重金属离子有较强的吸附性能，也因其在水中的膨胀性、分散悬浮性致使吸附选择性较差。充分考虑到生物质资源的合理充分利用，有机聚合物/无机层状硅酸盐粘土矿物纳米复合材料因兼备有机和无机材料的各自的特点，也具有纳米复合材料优良的性质，成为当前材料科学领域研究的热点。本项目通过巯基乙酸改性制得SH@LCS，改性后的SH@LCS纳米复合材料中-SH含量为4.102 %。再将SH@LCS与MTN进行溶液插层复合反应，制备出了新型SH@LCS/MTN纳米复合吸附材料。单因素实验方法考察了SH@LCS与MTN的投料比、NaOH质量浓度、反应时间和反应温度对水体中Fe(III)的吸附效果，确定最优的SH@LCS/MTN制备工艺条件。利用N2吸附-脱附、FTIR、XRD、SEM和TEM表征分析SH@LCS/MTN纳米复合吸附材料的微观结构。使用SH@LCS/MTN新型纳米复合材料对Cu(II)等9种重金属离子模拟废水溶液进行了吸附实验，并采用单因素实验方案优化吸附条件。并对吸附重金属离子饱和的SH@LCS/MTN，进行超声波解吸及循环再生性能测试，考察了多种影响解吸量的因素，并对循环再生后的SH@LCS/MTN成功进行了巯基毒性的降解实验。利用FTIR、SEM和EDS等表征分析手段，对吸附机理进行研究。结果表明，SH@LCS/MTN纳米复合材料是富含多种活性功能基团，是一种具有可循环再生使用性能的高效重金属废水吸附剂。