三维多级孔功能化木材复合材料的构建及水处理性能和机制研究

With the development of global industrialization, sewage pollution (heavy metals, organic compounds, microorganisms) has become a great harm to human beings. Nevertheless, low-cost, high-efficient and deep-removing research of pollutants in water has still been remained to investigate further. Based on previous work, this project proposes low-price recyclable biodegradable wood as base materials to composite with other functional materials to constitute Metal-Organic-Frameworks /Wood, Ag NPs/Wood and -SH(-NH2, -COOH)/Wood respectively, and then, utilize the functional wood composites as filtering membrane to design integrated sewage treatment system, highly remove the organic pollutants, heavy metals and microorganisms in water. Under controlling of the experiment condition, this work also aims to establish the fluid dynamics model of filtering processes, unveil the mechanism between pollutants and functional wood composites, achieve low-cost and high-efficient removal of pollutants in water. The successful implementation of this project can offer integrated industrial sewage treatment research foundation and development direction.

随着全球工业化的不断发展，水中污染物（重金属、有机物、微生物等）已对人类正常生命活动成构成严重威胁。然而如何发展低成本、高效率、深度去除水中污染物仍然有待进一步探索。木材（Wood）在自然界中分布广泛、成本低廉、可重复使用、可生物降解同时具有独特三维孔结构。本项目拟以木材为基质和其它功能材料复合，分别构建出Metal-Organic-Frameworks /Wood, Ag NPs/Wood 和-SH(-NH2, -COOH)/Wood复合材料；以功能化木材复合材料为过滤膜设计一体化污水处理系统，用于高效去除水中有机污染物、重金属污染物、微生物污染物；通过实验条件的控制，建立过滤过程中流体动力学模型，揭示污染物与功能化木材复合材料之间的作用机理，实现低成本、高效率、深度去除水中污染物，并使之达到饮用要求。本项目的顺利实施可以为一体化水处理提供理论基础和发展方向。

在国家自然科学基金的支持下，本项目针对处理领域关键科学问题：复杂污水环境中，水污染控制、修复及机理研究。我们以天然木材为载体，利用其丰富的纤维素含量及独特的3D孔道结构，成功构建“可定制化”生物质膜材料，通过“多层叠加，多级串联”的设计，用于高效去除复杂水体系中有机污染物、重金属污染物。为绿色、可持续、定制化、低成本水处理膜材料的发展提供了新策略。另外，针对工业含盐废水，我们提出太阳能驱动资源化含盐水处理新策略。通过高性能光热材料的构建和T-型结构设计，同时实现水蒸发回用，固体盐定向结晶。同时，根据不同结晶度，有望实现盐的资源化利用。基于分子动力学和流体力学原理，揭示了生物质独特的天然三维多级孔结构，满足错流模型，其微米级孔道有利于污水快速流通，微纳米孔有助于污染物与功能基团的充分接触，进而实现高通量和高效率去除水中污染物。在本基金的支持下，在Environ. Sci. Technol. （1篇），Chemical Engineering Journal （3篇），Small （1篇），J. Mater. Chem. A（2篇），ACS Appl. Mater. Interfaces（2篇），Desalination（1篇）， Journal of Cleaner Production (1篇)，Chinese Chemical Letters (1篇)，Environmental Science and Pollution Research （1篇）等相关领域著名学术期刊上发表SCI 论文发表相关学术论文17篇，参加学术会议6次并作分会场报告6次。申请发明专利7项，授权5项。在圆满的完成既定研究任务的同时，积极推进成功转化，通过和金川集团股份有限公司、白银集团有限公司、甘肃稀土新材料有限公司进行合作，完成了含盐废水出来中试，进一步完成产业化应用研究。