β-环糊精-聚乙烯亚胺修饰多功能磁性纳米复合体系构建及其吸附重金属性能研究

Water pollution control caused by the toxic heavy metal ions has become a hot spot, as well as a problem in the field of water environment protection. Adsorption is considered to be one of the most effective strategies for heavy metals removal. Magnetic nanomaterials, with strong adsorption capacity and superparamagnetic property, have been widely used in the field of water treatment. In addition, the surface modification of magnetic nanoparticles with polymers can not only reduce its side effects, but also improve its stability and dispersibility in aqueous solution, thus enhancing its adsorption capacity. In this study, we are intending to fabricate a novel multifunctional magnetic nanocomposites with synergistic effect for heavy metals adsorption, namely magnetic nanocomposite functionalized by β-cyclodextrin-polyethyleneimine adducts denoted as Fe3O4@PEI-β-CD, by a simple chemical cross-linking reaction. The prepared nanocomposites will be applied to absorb the heavy metals in the model pollution system. The relationship between chemical composition, microstructure and the property of selective adsorption will be studied carefully. Emphasis will be put on investigating and concluding the general law of design and synthesis of effective adsorbents for heavy metals pollution. The smooth implementation of the project will further deepen the understanding of the application of nanomaterials in the field of water treatment, and also provide some theoretical evidence for the research on design of adsorbents and adsorption mechanism of pollutants.

有毒重金属离子引起的水体污染治理已成为水环境保护领域的研究热点和难点。吸附法被认为是目前最行之有效的重金属污染物去除方法之一。磁性纳米材料具有吸附能力强以及易于实现磁分离等特性，已在水污染治理领域得到广泛的应用。另外，磁性纳米粒子的高分子聚合物修饰在降低其毒性的同时，还能有效改善其水溶液稳定性和分散性、增强其吸附容量。本项目拟从磁性纳米粒子功能化的角度进行创新，通过简单的化学交联反应制备得到一种对重金属离子具有协同吸附性能的多功能磁性纳米复合吸附剂-β-环糊精修饰聚乙烯亚胺功能化磁性纳米颗粒（Fe3O4@ PEI-β-CD）。将其应用于模拟重金属污染水体的治理，系统研究材料结构、吸附条件等对吸附性能的影响，阐明治理重金属污染的高效吸附剂的设计和合成规律，探明其吸附机理。项目的顺利实施将进一步加深人们对纳米材料在水处理领域应用的认识，为污染物吸附剂的设计和吸附去除机理研究提供一定的理论依据。

鉴于目前严峻的重金属污染现状，以及吸附法废水处理技术所具有的高效、低成本、无二次污染等优点。本项目制备了一种对重金属离子具有良好吸附性能的多功能磁性纳米复合吸附剂—Fe3O4-PEI-β/CD，系统研究其对重金属的吸附性能和机理，同时将其拓展到染料废水及重金属-染料复合污染废水处理领域。主要研究结果如下：.（1）经表面修饰后，Fe3O4颗粒表面引入更多种类和数量的亲水活性官能团，有利于重金属和有机污染物的去除；.（2）Fe3O4-PEI对Cr(Ⅵ)的吸附符合准二级动力学和Langmuir模型，最大吸附量为175.76 mg•g-1。Fe3O4-PEI具有高度稳定性和潜在的实际应用价值；.（3）Fe3O4-PEI对茜素红S（ARS）和甲基橙（MO）的吸附符合Langmuir模型，最大吸附量分别为256.03和242.36 mg•g-1，较未经PEI修饰的磁性纳米颗粒（Fe3O4@NH2）吸附量提升了约8倍。最重要的是，Fe3O4-PEI可从亚甲蓝-茜素红S、亚甲蓝-甲基橙混合阴阳离子染料溶液中选择吸附阴离子染料，可实现实际工业废水中阴离子染料的回收；.（4）Fe3O4-PEI对多种阴离子染料均有良好的吸附效果。且分子结构简单、尺寸较小、含-SO3-数量少的染料分子更容易被吸附；.（5）Fe3O4-PEI/β-CD对Pb(II)随pH（1-6）的增加吸附量增加，吸附过程符合准二级动力学和Langmuir模型，最大吸附量为73.31 mg•g-1。相比Pb(II)的吸附，MO的吸附量随pH（1-10）的增加而减少，证明两种污染物的吸附机理各不相同。MO的吸附机理可归因于氢键和静电吸附，而Pb(II)主要通过螯合作用和离子交换反应去除。MO的吸附符合准二级动力学方程和Langmuir模型，最大吸附量为192.23 mg•g-1。.有趣的是，MO-Pb(II)复合体系中，Pb(II)的存在对MO的吸附几乎没有影响；而MO的存在不仅不会减少Pb(II)的吸附，反而会增强Pb(II)的吸附，且Pb(II)的吸附量随着MO浓度的增加而增加，这种协同作用归因于共存的MO可为Pb(II)提供额外的吸附位点。经三次模拟废水循环实验后，MO和Pb(II)的去除效率仍达83.9%和73.3%。因此，本研究所制备的吸附剂可用于有机-无机复合污染废水中重金属离子和有机染料的协同去除。