核壳结构磁性纳米颗粒的可控合成及其除铊效能与界面反应机制研究

Thallium(Tl) is a highly toxic heavy metal element and is more acutely toxic than Hg, Cd, and Pb, which may seriously affect the health of human. Recently, several contamination accidents of Tl in surface water and groundwater have occurred, due to the mining and smelting of Tl-containing minerals, posing a huge threat to safe drinking water. Therefore, highly efficient removal of Tl from water has attracted extensive attentions. Adsorption is one of the most feasible techniques for Tl removal. Magnetic nanoparticles offer very fast kinetics and enhanced sorption capacity, and can be easily separated from water by a magnet, making them to be promising adsorbents. Based on these, novel core-shell structured magnetic nanoparticles with Mn(II)-bearing Fe3O4 (MnxFe3-xO4) as magnetic core and MnO2 as shell, will be synthesized using one-pot method in this study. Tl adsorption behavior on the surface of magnetic nanoparticles as well as key affecting factors will be examined. Furthermore, reactions of Tl at magnetic nanoparticle/water interface will be analyzed and adsorption mechanism will be elucidated. In addition, desorption of Tl and the regeneration of magnetic nanoparticles will be investigated. With the implementation of this project, several new adsorbents with high efficiency, environmental friendliness, being easily separated from water and reutilization will obtained. Moreover, this will help to the further understanding the micro-interface processes of Tl in aquatic environment.

铊是一种毒性显著超过汞、镉、铅等的重金属,对人体健康存在巨大危害。近年来,含铊矿物开采和冶炼导致多起地下水和地表水铊污染事件发生,使得饮用水安全面临极大风险。如何经济、高效地去除水中的铊污染物成为研究者重点关注的问题。吸附法是最为可行的一种除铊技术，磁性纳米吸附材料既有良好的吸附速率和容量，又可在外加磁场下方便地进行固液分离，具有广阔应用前景。基于此，本项目提出通过组分调控、路径优化等过程，一锅合成以磁性纳米颗粒MnxFe3-xO4为内核、以锰氧化物为外壳的新型核壳结构磁性纳米吸附材料(MnxFe3-xO4/MnO2)，重点考察铊在材料表面上的吸附行为及关键影响因素, 揭示铊在水/纳米颗粒微界面上的反应过程及吸附去除机制，研究铊脱附行为及吸附材料再生性。本项目的开展，可望获得系列高效、便于固液分离、环境友好、可重复利用的新型除铊材料，并有助于深入认识铊在水环境中的微界面过程。

重金属铊具有高毒性，对人体健康危害极大。近年来,含铊矿物开采和冶炼废水不当排放导致多起水体铊污染事件发生,使得饮用水安全面临极大风险。因此，如何高效、经济地去除水中的铊污染物成为研究者关注的重点。吸附法是最为可行的一种除铊方法，新型吸附材料的开发，是该领域的热点与前沿。磁性吸附材料既具良好的吸附速率和容量，又可进行快速磁分离，具有良好的应用前景。本项目通过共沉淀/氧化还原反应，一锅法合成了系列以MnxFe3-xO4(x=0-1)为磁核、以锰氧化物(主要为MnO2)为外壳的新型核壳结构磁性纳米材料MnxFe3-xO4/MnO2。通过多种技术手段如扫描电镜、透射电镜及振动样品磁强计，对制备的材料形貌结构、磁性能等进行了系统分析与表征；通过批式实验，研究了磁性材料对Tl(I)的吸附等温线、动力学及影响因素如溶液pH、离子强度、共存离子和腐殖酸对吸附的影响，考察了磁性材料的脱附再生和重复利用性，此外，评估了其对实际含铊工业废水的处理效果。研究结果表明：合成的磁性材料呈花状结构，由细小纳米颗粒团聚而成，纳米颗粒具有明显的核壳结构；材料具有较高的比饱和磁化强度，可以方便地实现固液磁分离。磁核和MnO2含量变化均影响材料对Tl(I)的吸附效能，相比较而言，MnFe2O4/MnO2磁性吸附材料对Tl(I)具有更好的吸附去除效果，中性条件下最大吸附容量达197mg/g，且适用的pH范围比较宽，在弱酸条件下(pH3.0) 对Tl(I)仍具有良好的去除效果；材料对Tl(I)具有高的吸附选择性，共存的阳离子及腐殖酸对其吸附影响不大；Tl(I)通过取代磁性材料表面羟基上的H+，形成内配层表面络合物M-O-Tl而被吸附去除的；利用0.1M的盐酸溶液可以有效地对吸附Tl(I)后的材料进行多次脱附再生，再生4次后的材料仍保持较高的Tl(I)吸附效能；此外，该材料对实际含铊废水具有较好的处理效果，具有良好的实用性。上述研究结果不仅提供了一类新型高效、便于磁分离、可重复利用的除铊吸附材料，而且对开发其他新型壳核结构除铊吸附材料有重要的理论指导作用。