板栗壳色素交联树脂合成及其吸附重金属性能与机理研究

重金属污染是国民经济发展亟待解决的重要问题，腐殖酸是一类重要的重金属吸附剂，但腐殖酸主要从泥炭、褐煤等不可再生性资源中提取。黑色素是一类广泛存在于生物界的腐殖质类似物，具有与腐殖质类似的结构和性质。板栗壳是食品加工剩余物，我国每年产生十多万吨板栗壳，其中含有约15%的植物黑色素。本项目拟以可再生的黑色素代替不可再生的腐殖质，以板栗壳色素为原料，在借鉴腐殖酸交联树脂合成方法的基础上，通过合成底物优化和致孔方法优化，合成板栗壳色素交联树脂。以恒温振荡批处理法研究影响板栗壳色素交联树脂吸附重金属离子的关键因素，并对吸附工艺和解吸再生工艺进行优化研究。通过吸附平衡、动力学、热力学行为分析，籍以红外光谱、X射线光电子能谱、扫描电镜等仪器分析技术研究板栗壳色素交联树脂吸附重金属离子的机理。

近年来我国经济快速发展，重金属污染物排放量增加，重金属污染已成为全社会关注的热点和关系人民健康、经济发展、社会稳定和国家形象的重要环境问题。重金属污水处理技术也成为我国重要的科技需求。板栗是我国重要的干果之一，板栗产业在我国山区经济发展和农民脱贫致富中起着重要作用。板栗壳是栗子加工剩余物，尚未被开发利用。本项目以板栗壳中提取得到的色素为原料、以醛类物质为交联剂合成交联树脂用于吸附水中重金属。研发出3种板栗壳色素交联树脂的合成途径：碱催化酚类物质共聚法、碱—酸催化两步合成法和氨催化热固化合成法。第一种途径反应一步完成但需要添加苯酚、间苯二酚、间甲酚、二甲酚等简单酚类物质，第二和第三种途径反应需两步完成，但无需添加这些酚类物质。研究了碱—酸催化两步合成法的合成反应机理，在碱催化下板栗壳色素被甲醛羟甲基化，酸催化诱导羟甲基化的板栗壳色素通过醚键或亚甲基桥聚合形成树脂。研究了所合成板栗壳色素交联树脂的吸附重金属性能与机理。两步催化法合成的板栗壳色素—甲醛树脂吸附Cr(VI)、Hg(II)、Ni(II)、Zn(II)、Cu(II)、Pb(II)、Cd(II)的动力学数据符合准二级动力学模型，为化学吸附；吸附Ni(II)的平衡数据符合Freundlich模型，吸附Hg(II)、Zn(II)、Cu(II)、Pb(II)、Cd(II)吸附平衡数据均与Langmuir模型相符合，为单层吸附；吸附Cr(VI)、Hg(II)、Pb(II)自由能变为负值，可以自发进行，Cd(II)、Zn(II)、Cu(II)为正值，不可以自发进行；吸附Zn(II)、Cu(II)焓变为负值，为放热过程，Pb(II)、Cd(II)、Hg(II)焓变为正值，为吸热过程。该树脂对Cr(VI)、Hg(II)、Ni(II)、Zn(II)、Cu(II)、Pb(II)、Cd(II)的吸附量分别可达120、610、68、44、31、89、32 mg/g。板栗壳色素属于可再生的生源物质——黑色素，本项目研究成果对黑色素资源的开发利用，特别是利用其他生物来源的黑色素合成交联树脂作为吸附、分离、催化材料具有重要的指导意义。