超支化聚合物修饰磁性纳米复合材料对第一类重金属的吸附性能研究

To date, the prevention and control of the first category heavy metal pollutants in water environment is of great concern. This project aims to realize the high-selectivity and high-capacity adsorption of the first category metal pollutants based on the development of functional magnetic nanocomposite materials. In order to increase the specific surface area and adsorption sites for enhancing the adsorption selectivity and saturation adsorption capacity, the host recognition molecular, hyperbranched polymer, magnetic particle and functional graphene sheet will be combined together to prepare the magenetic nanocomposite adsorbents through layer-by-layer or chemical-bonding method. The adsorption property and mechanism will be investigated in detail to construct the structure-property relationship between the nanocomposite adsorbents and the pollutants. This project is committed to research and development the new method and technology to accomplish high-efficiency treatment of the first category heavy metal pollutants, and provide abundant theoretical basis and technical support to improve the comprehensive treatment of the first category metal pollutants in china. Therefore, this project not only has important scientific significance but also has important application value.

利用纳米技术对水环境中的第一类重金属污染物进行高效去除是当前的研究热点，而如何研发制备新型高效去除水中污染物的吸附材料并系统阐明吸附材料和污染物间的作用原理仍是一个挑战。本项目拟基于分子设计制备一系列分子识别主体修饰的功能化超支化聚合物，并以其对磁性纳米粒子、石墨烯等纳米材料进行层层组装或共价结合的功能化修饰，有效增加复合材料的比表面积和结合位点，建立制备新型高选择性和高吸附容量的磁性纳米复合材料的新方法。以第一类重金属污染物为研究对象，系统研究该复合吸附剂对污染物的吸附性能及吸附机理，采用磁分离进行复合吸附剂的再生及循环利用，进一步深刻揭示污染物在磁性纳米复合材料表界面的作用机制和吸附原理，明确吸附材料和污染物之间的构—效关系。本项目的实施可为有效控制与消减水体污染物、改善生态环境提供理论依据与技术支撑。因此本研究不仅具有重要的科学意义，而且具有重要的应用价值。

本项目首先以A2+B3的方法成功合成了水溶性良好且具有丰富分子识别基团的超支化聚合物，并将其修饰到石墨烯、磁性粒子以及碳纳米管等纳米材料上，进一步成功制备了磁性水溶性超支化多元醇功能化氧化石墨烯（MWHPO-GO）以及超支化聚胺功能化碳纳米管（WHPA-OMCNT）的纳米复合吸附材料。采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等对合成产物进行了详细的表征。MWHPO-GO对合成染料（亚甲蓝（MB）和甲基紫（MV））和重金属（Pb（II））表现出优异的吸附性能。而且，MWHPO-GO可以通过磁分离简单地从水中回收。这三种污染物的吸附动力学和等温线分别很好的符合拟二级动力学和Langmuir模型。热力学结果（ΔG<0，ΔH<0，ΔS<0）表明MB，MV和Pb（II）的吸附过程是易行的，放热和自发的。吸附机理研究表明π-π堆积相互作用，氢键相互作用和静电吸引力主导着MB / MV的吸附，螯合和静电吸引主导了Pb（II）的吸附。WHPA-OMCNT对有机染料如MB，MV和孔雀石绿（MG）和表现出优异的吸附性能。最佳条件下，MB的平衡吸附容量为800.0 mg g-1，MV为970.9 mg g-1, MG为840.3 mg g-1。此外，采用超支化聚乙烯亚胺对磁性羧甲基壳聚糖进行了修饰，成功制备了超支化聚乙烯亚胺修饰磁性羧甲基壳聚糖（MCMCPEI）复合吸附材料，并将其用于污水中铅离子的吸附。采用响应面分析法（RSM）研究了一系列吸附参数对于铅离子的吸附效果的影响。在实验设计环节采用了中心组合设计（CCD）的方法。结果表明，MCMCPEI对铅离子的吸附在10 min内就能达到平衡。且据此模型计算出MCMCPEI对铅离子的理论最大吸附容量为124.0 mg g-1。本项目所设计制备的超支化聚合物功能化的纳米复合材料实现了对重金属和染料的高效去除。本项目的研究为实现污染水净化、改善生态环境提供了理论依据与技术支撑。