脱硫废水中重金属离子的荧光检测和分离一体化研究

The project proposal focuses on exploring the integrated and multi-functional cellulose film for detection and clarification processes related to the desulphurization wastewater treatment in power plants. As a kind of green, biodegradable and environment friendly material, cellulose has been drawn great attention from both basic research and practical application. The project includes: i) preparing adsorbent cellulose films by TEMPO oxidation or precipitation from acid solution via adding calcium carbonate, ii) grafting ratiometric fluorescence sensors for the detection of heavy metal ions into the established cellulose film by chemical reaction or doping modification, and iii) developing unique multi-functional film for the integrated fluorescent sensing and separation. We focused on the involved mechanism and potential application with the cellulose film matrix for the fluorescence detection and adsorption of heavy metal ions. Overall, the research is highly multi-disciplinary, covering a broad range of research areas including the syntheses of fluorescent sensors, the characterization and mechanisms of detection and adsorption by cellulose films and the application for water clarification. The consequence of the research will be of significant importance for developing multi-functional cellulose films grafted with fluorescent sensors for detection of heavy metal ions based on the fundamental scientific understanding and for improving desulphurization wastewater clarification in power plants from a practical point of view.

本项目主要研究可满足火电厂脱硫废水中重金属离子检测和净化要求的一体化多功能纤维素薄膜。纤维素作为一种绿色、可生物降解的环境友好材料，日益受到研究者的青睐。主要研究内容为采用TEMPO氧化改性纤维素制备薄膜或以碳酸钙为成孔剂制备具有吸附功能的纤维素多孔膜，并以此为基质，将检测重金属离子的比率型荧光探针分子通过化学反应或者物理掺杂的方法修饰到纤维素薄膜上，最终制得集检测和分离一体化的纤维素薄膜。该多功能薄膜作为一种新颖独特的研究方法，可对重金属离子进行荧光检测和吸附实验，探讨其对重金属离子的检测和吸附能力。研究将涉及荧光探针分子合成、纤维素吸附机理研究及其在废水处理中的应用，属于学科交叉性研究。本项目将促进基于纤维素的荧光传感器的发展和研究，对我国火电厂脱硫废水中重金属离子的检测和处理有着重要的科学价值和实际意义。

火电厂脱硫废水中含有对人体和环境极其有害的重金属离子，一旦排放到环境中，将造成严重的后果。因此，开发经济有效的重金属离子的检测及处理技术迫在眉睫。本项目主要研究了可满足火电厂脱硫废水中重金属离子检测和净化要求的一体化多功能纤维素薄膜。首先，制备出纤维素薄膜基材料。纤维素是一种绿色、可生物降解的环境友好材料，本项目合成了TEMPO氧化改性纤维素，将纤维素六元环上的伯羟基氧化为羧基，测试出其对重金属铜离子和汞离子均具有良好的吸附性能。因此以TEMPO氧化改性纤维素为基础，采用聚乙烯醇为交联剂，纳米碳酸钙为成孔剂，成功制备出具有高吸附功能的多孔纤维素薄膜，该薄膜对低浓度的重金属离子可达到95%以上的去除效率。其次，针对脱硫废水中复杂金属离子环境，设计合成了具有高选择、高灵敏性的荧光探针分子。其中萘酰亚胺衍生物可以达到对重金属铜离子的精确检测，以香豆素为母体的荧光分子可以到达对重金属汞离子的荧光测定。在前述工作基础上，将检测重金属离子的荧光探针分子修饰到纤维素薄膜上，最终制得集检测和分离一体化的纤维素膜。在这一步骤中创新性地引入了纳米材料为中间体，将荧光分子与纤维素薄膜进行结合。这一方法可以提高荧光分子的负载率，并且有效地减弱了荧光分子的聚集淬灭效应，大大提高了检测的准确性和灵敏性。之后，对该多功能薄膜进行重金属离子荧光检测和吸附实验，该多功能薄膜对金属离子具有特异性识别，并且对该金属也有显著的吸附效果。次外，该多功能薄膜的生物相容性也经过细胞的增殖实验得以验证，实现了对于脱硫废水中重金属离子的绿色处理。本项目研究涉及了荧光探针分子合成、纤维素吸附机理研究及其在废水处理中的应用，属于学科交叉性研究。本项目促进了基于纤维素的荧光传感器的发展和研究，对我国火电厂脱硫废水中重金属离子的检测和处理有着重要的科学价值和实际意义。