负载板栗壳色素复合吸附剂制备及其去除水中重金属性能

In China, the food industry generates over 100 kilotons of chestnut shell waste annually. The waste contains ca. 15% by weight of herbal melanin that has not been utilized yet. Heavy metal pollution is an outstanding environmental problem desiderated to be solved. Humic acid is a class of efficient broad-spectrum heavy-metal sorbent, which is mainly produced from non-renewable resources such as peat and lignite. Melanin is humic-type substance in biomass, whose structure and properties are very similar to those of humic acid. In this project, chestnut shell pigments will be used as a substitute for humic acid to prepare organic-inorganic composite sorbents. The chestnut shell pigments will be loaded on natural zeolite, kaolin, silica gel, activated carbon, multi-walled carbon nanotubes, and Fe3O4 magnetic nanoparticles by referring to the methods designed for loading humic acid on these carriers. The performance of the prepared sorbents for sorption of Cu(II), Cd(II), Pb(II), Hg(II) and Cr(VI) from aqueous solutions will be evaluated. The technological processes for the sorbent preparation and sorption-desorption of heavy metals will be optimized. Equilibrium, kinetics and thermodynamics analyses and Fourier transform infrared, energy dispersive X-ray and X-ray photoelectron spectroscopies as well as electron microscopy observations will be used to elucidate the mechanisms of heavy-metal sorption.

我国食品工业每年产生十多万吨废弃板栗壳，其中含有约15%的植物黑色素，这一资源尚未开发利用。重金属污染是亟待解决的环境问题。腐殖酸是一类高效广谱的重金属吸附剂，但生产中腐殖酸主要来自泥炭、褐煤等不可再生资源。黑色素是一类来自生物体内的腐殖质型物质，结构和性质与腐殖酸非常相似。本项目以可再生的黑色素代替不可再生的腐殖酸，借鉴腐殖酸复合吸附剂的制备方法，将板栗壳色素负载于沸石、高岭土、硅胶、活性炭、多壁碳纳米管、磁性纳米Fe3O4上，制得有机-无机复合吸附剂。以恒温振荡批处理法研究其吸附水中Cu(II)、Cd(II)、Pb(II)、Hg(II)、Cr(VI)等重金属离子的性能，优化复合吸附剂的制备工艺以及对重金属的吸附-解吸工艺，并通过吸附平衡、动力学、热力学行为分析，籍以红外光谱、能量色散X射线光谱、X射线光电子能谱、电子显微镜等仪器分析技术剖析其吸附机理。

近些年随着经济快速发展，我国重金属污染物排放量增加。重金属污染受到全社会的关注，并成为关系人民健康、经济发展、社会稳定和国家形象的重要环境问题。因此，重金属污水处理是国家重要的科技需求。我国食品工业每年产生十多万吨废弃板栗壳，其中含有约15%的植物黑色素，尚未开发利用。板栗壳色素具有很强的重金属结合能力，但其在酸性和中性水中部分溶解，在碱性水中完全溶解，无法直接用作重金属吸附剂。本项目将其负载于硅胶、活性炭、磁性纳米Fe3O4表面，制得有机–无机复合吸附剂，研究其吸附水中Cu(II)、Zn(II)、Cd(II)、Pb(II)、Hg(II)、Ni(II)等重金属离子的性能，优化复合吸附剂的制备工艺以及对重金属的吸附–解吸工艺，并研究其吸附机理。主要合成了板栗壳色素键合硅胶、磁性纳米Fe3O4@板栗壳色素、负载板栗壳色素活性炭3类吸附剂。板栗壳色素键合硅胶吸附Hg(II)、Ni(II)、Zn(II)、Cu(II)、Pb(II)、Cd(II)和磁性纳米Fe3O4@板栗壳色素吸附Zn(II)、Cu(II)以及负载板栗壳色素活性炭吸附Cu(II)的动力学数据符合准二级动力学模型，为化学吸附。除板栗壳色素键合硅胶吸附Cu(II)的平衡数据符合Freundlich模型外，其他吸附系统的平衡数据均与Langmuir模型相符合，为单层吸附。所有研究的吸附系统均可自发进行，但有些为放热过程，另一些则为吸热过程。板栗壳色素中的羟基、羧基通过离子交换或络合与重金属结合，是活性吸附位点。板栗色素的负载可以显著提高硅胶、磁性纳米Fe3O4、活性炭对重金属的吸附性能，并固定板栗壳色素，使之不溶于水，充分利用板栗壳色素优异的重金属结合能力（化学性能）和无机载体的良好的机械性能。本项目研究成果对黑色素资源的开发利用，特别是黑色素基有机—无机复合材料在吸附、分离、催化方面的应用有重要的指导意义。