面向水中砷深度去除的凝胶型树脂-纳米FeOOH复合材料及其作用过程

Macroporous resin-based nanocomposites exhibit promising potential in water/wastewater treatment due to their high efficiency, superb stability and easy operation. However, the gel-type ones are usually not considered as ideal hosts to support nanoparticles (NPs) as a result of the lack of porous structure, high swelling rate and weak mechanical strength. Recently, we have observed that gel-type resin could exhibit distinct properties to embed NPs. In this proposal we aim at preparing gel-type resin-supported FeOOH nanoparticles (NPs) via ion exchange followed by in-situ deposition procedure. The interactions between gel-type resin and FeOOH NPs, as well as the mechanism of arsenic (V)/(III) adsorption onto the immobilized FeOOH NPs will be particularly focused on. Also, effect of solution chemistry on decontamination performance of the resultant nanocomposite will be systematically explored. This study is believed to push forward the utilization of gel-type resin as a promising host to support NPs for highly efficient water purification.

大孔树脂基纳米复合材料既保留了众多纳米颗粒对污染物的高效净化性能，又具备高稳定性与易操作性，在深度水处理领域展现了广阔的应用前景；另一类商品化凝胶型树脂因缺乏物理孔结构，一直被认为不适宜用作纳米颗粒的载体。本项目预研过程发现凝胶型树脂不仅可用作纳米颗粒的载体，且可展现出与大孔树脂显著不同的特性。基于此，本项目拟发展以凝胶型树脂为基体的新型纳米FeOOH复合材料，探明凝胶树脂载体-FeOOH纳米颗粒间的相互作用规律与机制；并以水中砷的深度去除为目标，阐明材料结构对污染物净化性能的影响与机理；明确溶液化学性质对凝胶型复合材料净污性能的影响并揭示相关机制；继而发展材料的再生方法，评价新材料处理实际砷污染地下水的性能。本项目有助于推动凝胶型环境纳米复合材料在水污染深度治理中的应用研究、拓展实用型水处理纳米技术的发展空间。

纳米Fe(III)、Zr(IV)、Mn(IV)等金属氧化物可通过内圈配位作用吸附去除水中重金属、砷、磷等微量污染物。将纳米颗粒负载至毫米级多孔载体内可克服其易团聚失活、操作困难、易流失造成潜在环境风险等水处理工程化应用瓶颈，已成为推进水处理纳米技术实际应用的主流方法。大孔型树脂具有丰富的孔结构、优良的机械强度与流体力学性能，可作为纳米颗粒的优良载体，在深度水处理领域得到大量关注；另一类商品化凝胶型树脂因缺乏物理孔结构，一直被认为不适宜用作纳米颗粒的载体。本项目发现，凝胶树脂不仅可高效负载纳米颗粒，且表现出与大孔树脂截然不同的特性。具体而言，在凝胶载体中通过简单的“浸渍-沉淀”法即可获得高反应活性的亚10纳米颗粒。这是因为凝胶树脂小球在水中溶胀后，内部包含连续均匀含水相，使反应物可快速地扩散到树脂球内部（<7秒），从而实现纳米颗粒的爆发成核，形成超窄尺寸分布的晶核；此外，交联聚合物链间还可形成狭窄孔隙（直径<5 nm），可阻止纳米颗粒过度生长。相比大孔型复合纳米材料，凝胶树脂基纳米FeOOH具有更高的表面净电荷和更多的高活性吸附位点（≡Fe-OH），对砷的吸附容量与亲和性均提升数倍；吸附后的材料可方便循环再生，在固定床吸附中对砷污染水的有效处理容量提高了3倍以上。本项目研究成果有助于夯实凝胶型树脂作为基体制备水处理复合纳米材料及其在水污染深度治理中的应用基础，对相关材料的实际应用具有重要的指导意义。