三维氧化石墨烯/海藻酸钠双网络复合凝胶球处理锑矿废水的机理研究

In the light of the major ecological and environmental problems of the antimony mine wastewater, based on the advantages of Graphene oxide, biopolymer materials (sodium alginate) and double-network hydrogels beads, this project adopts two step cross linking method to construct a new type of adsorbent--"3D-graphene oxide/sodium alginate double-network composite gel beads" . Using HRTEM, XRD, FTIR, Raman and other techniques to conduct a comprehensive performance testing and characterization of the gel beads, use micellar copolymerization theory to investigate the formation mechanism of the double-network composite gel beads; according to the composite gel beads’ micro / macro structural features, observe the changes of the physicochemical properties of the gel beads’ surface before and after adsorption, and combine the static adsorption experiment results of adsorption antimony (V), we will analyze the relationship of the micro/ macro structure interface process and the surface effect of the hydrogels beads and the adsorption characteristics, to provide the basis for regulating the interfacial properties of the gel sheet and improve the performance of adsorption. Using advanced analysis methods such as synchrotron radiation and Cs-corrected STEM, We will study the adsorption / desorption mechanism between the hydrogels beads and Sb(V) in all directions and multi angles, and establish adsorption model on molecular level and transfer kinetics model of pollutants in the composite gels . We will provide a theoretical and technical of foundation for the treatment of antimony mine wastewater.

针对锑矿废水污染的重大生态环境问题，基于三维氧化石墨烯、生物高分子材料（海藻酸钠）以及双网络凝胶的优点，本项目采用两步交联法构筑一种新型的“三维氧化石墨烯/海藻酸钠双网络复合凝胶球”吸附剂。采用HRTEM、XRD、FTIR、拉曼等技术，对双网络复合凝胶球进行性能测试和结构表征，结合胶束共聚理论等探讨双网络复合凝胶球的形成机理。根据复合凝胶球的微/宏结构特征、吸附前后复合凝胶球表界面的物化性质变化以及除锑（V）的静态吸附实验结果，分析复合凝胶球的“微/宏结构—表面作用—吸附特性”之间的构效关系，为调控凝胶球表/界面特性并提高吸附性能提供依据。利用同步辐射和球差校正扫描透射电镜等先进的分析手段，全方位、多角度的进一步开展复合凝胶球对锑(V)的吸附/解吸机理研究，并建立分子水平上的吸附数学模型和污染物在复合凝胶中的传质动力学模型。为锑矿区水环境污染治理提供理论指导和技术支持。

三维氧化石墨烯具有巨大比表面积和足够机械强度，是一种理想的吸附材料。但其存在易团聚，不易固液分离的局限性。本研究制备了结合海藻酸钠与三维氧化石墨烯优点的双网络结构复合凝胶。.SEM、FTIR、XRD、Raman等表征结果表明，三维氧化石墨烯与海藻酸钠经过制备过程成功形成了具有双网络结构的复合凝胶。在该复合材料表面可观察到大量有利于吸附发生的孔隙结构。TGA结果表明通过氧化石墨烯的引入提高了该复合材料的热稳定性和导热性。根据比表面积及孔径分析的表征结果，3D-GAD凝胶球的比表面积为29.8 m3/g，是单网络的3倍。.通过pH值、投加量、温度等一系列条件考察了3D-GAD凝胶球的吸附性能。结果表明，400 mg该吸附剂在pH为6，初始浓度为10 mg/L的50 mL Sb(III)溶液中，298 k的温度条件下反应240 min，对水中Sb(III)的去除率为81%。Cl-、SO42-等共存离子对其吸附性能无显著的影响。双网络结构合成后，吸附效率和吸附稳定性提高。.通过SEM与FTIR对3D-GAD凝胶球吸附前后的物理化学性质进行表征。SEM结果表明，当吸附发生后可在材料表面发现有大量不规则的无定型颗粒附着。根据FTIR的表征结果。推测物理吸附和化学吸附同时存在，且物理吸附为主要。准二级动力学模型描述该吸附过程效果较好。.使用Langmuir、Freundlich、Temkin吸附等温线均能对该吸附过程进行较理想的拟合。当在298 k的条件下，3D-GAD凝胶球的Langmuir理论最大吸附容量为7.67 mg/g。进一步探究，该吸附为放热、熵减的自发反应。.使用1 M的CaCl2进行再生实验时效果较好，再生率达94%左右，且经过5次吸附-解吸实验后，去除效率无显著下降。.3D-GAD凝胶球对水中Sb(III)的动态吸附试验分析表明，吸附柱的泄漏时间和穿透时间随着填料层的高度增加而增加，随着进水流量、初始浓度增加而降低。采用Thomas和Yoon-Nelson模型对该动态吸附过程进行拟合能取得较好的效果。.综上所述，本研究中所制备三维氧化石墨烯/海藻酸钠复合材料对水中Sb(III)具有较好的吸附性能和可循环性能，是一种理想的吸附材料。