水合氧化锆负载壳聚糖纳米纤维配体交换剂的制备及其对砷(Ⅴ)的选择性吸附研究

Arsenic as highly toxic metalloid element is classified as the first class of carcinogens and the priority control of pollutants in water, the concentration of arsenic is low and many kinds of coexisting ions exist in the water. Thus, efficient selective removal of arsenic in water is of great significance. In this study, the chitosan nanofiber will be prepared by electrospinning and used to synthesize chitosan nanofiber ligand exchanger. Based on analysis of morphology structure and functional groups of chitosan nanofiber ligand exchanger, the selective adsorption performance and mechanism of arsenic will be studied. Then, hydrous zirconia will be supported on the surface of chitosan nanofiber ligand exchanger to synthesize the functional material with high selectivity properties for arsenic removal, and the arsenic adsorption performance and the morphology, crystal structure and physicochemical properties of the functional materials will be studied. The selective adsorption mechanism and the synergistic effect mechanism of the functional material for arsenic will be revealed. These studies will provide a theoretical basis for application of functional material in selective adsorption of arsenic and a new method for ensuring the safety of water resources.

砷是一种毒性很强的类金属元素，被列为第一类致癌物和水体中优先控制的污染物。因水体中砷浓度低且共存离子多，高效选择性吸附水体中砷具有重要意义。本项目拟以静电纺丝技术制备的壳聚糖纳米纤维为基材合成出壳聚糖纳米纤维配体交换剂，通过对壳聚糖纳米纤维配体交换剂的晶型结构和功能基团分析，研究其对砷的选择吸附性能与机理。然后将水合氧化锆负载到壳聚糖纳米纤维配体交换剂上，制备出对砷具有高选择性的功能材料。考察功能材料对砷的选择吸附性能，通过对功能材料的形貌、晶型结构和理化性质分析，研究功能材料对砷的选择吸附机理，揭示功能材料各组份对砷的协同增效吸附作用机制，为功能材料应用于砷的选择性吸附提供理论依据。本项目能为砷的高效选择性吸附新材料的研究提供理论基础，为保障水资源的安全提供新的方法和途径。

地表饮用水源区中砷和磷是一类重要的含氧阴离子型污染物，给生态环境和人类健康带来巨大危害，故高效去除地表饮用水源区中溶解态的含氧阴离子砷和磷自关重要。然而，溶解态含氧阴离子浓度与悬浮颗粒组份密切相关。高效监测悬浮颗粒元素与溶解态含氧阴离子的相互关系对于溶解态含氧阴离子的去除极为重要。因此，本项目研究结果如下：（1）通过静电纺丝技术制备镧负载壳聚糖纳米纤维配体交换剂，研究其对砷的吸附特征和吸附机理，结果表明镧负载壳聚糖纳米纤维配体交换剂对砷表现出较高的吸附容量，明显高壳聚糖纳米纤维对砷的吸附容量，特别是在Cl-、SO42-、NO3-、HCO3-共存的情况下，壳聚糖纳米纤维对砷呈现更高的选择性吸附，其优异性能源于其特殊的结构特性，首先通过壳聚糖纳米纤维的静电吸引作用对砷进行预富集，然后通过镧的内层络合作用对砷进行吸附；（2）利用静电纺丝技术结合煅烧方法合成介孔氧化锆纳米纤维，研究在腐殖酸存在下介孔氧化锆纳米纤维对磷的吸附，结果表明腐殖酸对吸附形成负效应，即腐殖酸降低了介孔氧化锆纳米纤维对磷的吸附吸附容量以及延长吸附时间，主要原因为腐殖酸在介孔氧化锆纳米纤维表面和内部吸附后，减少了其对磷的吸附位点和提高其表面的负电荷，同时其内部吸附的腐殖酸导致孔区堵塞，抑制了磷的扩散；（3）本研究开发了一种能够在线监测交叉流中的溶解馏分新方法，通过在AF4-ICP-MS系统中构建特殊的界面熔块（陶瓷和不锈钢），将不连续的交叉流转换为连续的ICP-MS流，以克服溶解元素与熔块相互作用的挑战和提高回收率，通过建立交叉流中溶解馏分和检测器流中颗粒馏分的联合监测方法，获得的元素回收率与超滤法得到的溶解馏分进行比较，表明该方法对环境水样的适用性；（4）本文通过在AF4-ICP-MS系统中分别引入雾化器/喷雾室进样和直接喷射雾化，在线研究太湖水悬浮颗粒上限粒径，通过测定颗粒元素回收率，表明该方法对环境水样的适用性；（5）利用AF4-ICP-MS研究太湖水胶体的组份、环境中的演化和与磷的相互作用，结果表明太湖胶体最小的腐殖质，其次为黏土矿物/铁氧化物复合物，环境条件变化促进胶体（团聚或分散）行为特征变化，无机磷和有机磷均可吸附到胶体表面。