新型硫掺杂浒苔炭气凝胶固载铁基纳米颗粒复合材料的可控合成及对水体中砷、铬含氧酸根的高效净化研究

Arsenic (As) and chromium (Cr) oxy-anion contamination is attracting more and more attention in numerous contaminant sources. Arsenic has genetic toxicity and belongs to the priority control pollutants of World Health Organization (WHO). Chromium can cause damage to viscera and induce gene mutation and is the priority control pollutant of our country. The Fe-based nanoparticles loaded on carbon materials are high efficient adsorbents of As and Cr oxy-anions. However, the low adsorption capacity, the agglomeration and loss caused by instability of the loaded nanoparticles, and the slow adsorption kinetics induced by the poor mass transfer strongly hinder the industrialized application. In this proposal, S-doped carbon enteromorpha prolifera carbon aerosols are used as the carrier. We take advantage of the strong affinity of sulfur for heavy metal to increase the loading capacity, dispersion and stability of Fe-based nanoparticles, and the unique tubular window-like structure of enteromorpha prolifera carbon aerosols to reduce the adsorption transport path and increase the adsorption rate. The relationship between the chemical speciation of sulfur on the surface and the adsorption behavior of metal oxy-anions, and the adsorption mechanism will be thoroughly investigated. This project is aiming at providing fundamental knowledge for removal of As and Cr oxy-anions with high efficiency in practical application via the scientific design of composite adsorbent of Fe-based nanoparticles loaded on S-doped carbon aerogels derived from enteromorpha prolifera.

在众多的水体污染物中，砷、铬含氧酸根越来越受到人们的关注。砷具有遗传毒性，属于世界卫生组织优先控制污染物。铬在体内聚集可对内脏器官造成损伤并诱发基因突变，被我国列入优先控制污染物。炭材料负载的铁基纳米颗粒复合材料是砷、铬含氧酸根的高效吸附剂，但是存在吸附容量低、铁基纳米颗粒不稳定和吸附动力学缓慢等瓶颈问题，严重制约其工业化应用。在本研究中，我们拟以硫掺杂浒苔炭气凝胶为载体，利用硫原子与金属之间的强亲和性使铁基纳米颗粒的固载量、分散度和稳定性显著提高，利用浒苔炭气凝胶独特的管状多窗口结构缩短吸附质的传输路径，提高吸附速率。项目重点研究其表面硫化学形态与去除砷、铬含氧酸根之间的关系，探讨其吸附作用机理，实现对铁基纳米颗粒/硫掺杂浒苔炭气凝胶复合材料的合理设计，为实际应用中高效去除砷、铬含氧酸根提供重要的科学依据。

铬在体内聚集可对内脏器官造成损伤并诱发基因突变，被我国列入优先控制污染物。由环境友好的碳材料负载铁基纳米颗粒复合材料是砷、铬含氧酸根的高效绿色吸附剂，但是存在吸附容量低、铁基纳米颗粒不稳定和吸附动力学缓慢等瓶颈问题，严重制约其广泛应用。本课题以利用海洋生物质提取物卡拉胶所特有的含硫基团可稳定固载并均匀分散铁离子的特性，通过控制铁离子浓度，采用湿法纺丝技术制备出纤维凝胶，后经干燥、碳化和除碳后即得到FeS固载的碳纤维气凝胶（FeS/C），与目前研究较多的先硫化后固载工艺相比，该材料用卡拉胶本身含有的硫，制备过程绿色简单经济。另外，卡拉胶中的硫可实现对铁的稳定固载，得到的复合材料的纤维结构具有较好的结构特点，有利于污染物传质。因此，所得吸附剂对Cr(VI)的吸附速度快，吸附量大（81.6 mg/g）。去除机理主要包括FeS的还原、碳纤维的静电吸附以及Cr-Fe的络合作用。吸附符合伪二阶动力学方程和Langmuir等温模型，是以化学吸附为主的单层吸附。此外，共存离子影响、动态吸附和循环再生实验表明，FeS/碳纤维是一种有潜力的环境修复材料。为去除水体中铬酸根污染物的高效吸附材料开发提供理论支持。申请人在对FeS固载的碳纤维吸附铬酸根进行系统研究的基础之上，我们利用不同的活化剂合成了浒苔基活性炭材料和镧负载的碳材料，同样实现了铬酸根的高效捕获，并揭示了相关吸附机理。这些工作不仅有利于理解吸附剂和污染物字行间的吸附过程及机制，还为以后设计新型、高性能吸附剂提供理论支撑和新的思路。