选择性吸附Cr(VI)导向的分级负载型氧化铝吸附剂的结构设计与可控制备

In recent years, the key heavy metal pollution incidents including Cr, Cd, Pb, Hg and metalloid As in China occur in succession, and development of novel nano metal oxide supported adsorbent with excellent adsorption performance provides new opportunity for reduction and treatment of heavy metal wastewater. Based on the finding that the hierarchical morphology and the mesoporous structure will synergisticlly improve the adsorption performance, and the unique physicochemical characteristics of the activated alumina which is suitable for adsorption of heavy metal ions in wastewater, we aim at developing adsorbent with high selective adsorption performance toward Cr(VI). A series of hierarchical aluminas will firstly be prepared by sol-gel method, evaporation-induced self-assembly method and hydrothermal method for which we have certain research base to some degree. The -NH2, -COOH and -SH groups functionalized hierarchical alumina supported adsorbent will then be prepared by followed calcination and impregnation of their appropriate precursors. Effects of the hierarchical morphologies, the mesoporous structures and the functional groups of the typical samples on their adsorption performance toward heavy metal ions will be studied under the condition of coexistence of competitive anions and heavy metal ions. Finally, selective adsorption mechanism of the typical samples toward Cr(VI) will be revealed, and the adsorption-desorption-regeneration recycle system with high efficiency towards heavy metal ions will be constructed. This study will develop controllable preparation method of hierarchical alumina supported mesoporous alumina, and promote its applied basic research in the field of heavy metal wastewater treatment.

近年来我国Cr、Cd、Pb、Hg和类金属As等重点重金属的污染事件出现高发态势，新型高性能负载型纳米金属氧化物吸附剂的研制为重金属废水的减排与治理提供了新的契机。本项目着眼于高性能选择性吸附Cr(VI)吸附剂的研制，基于分级形貌和介孔结构协同增强吸附性能的发现以及活性氧化铝适于吸附水体中重金属的独特物理化学特性，首先采用项目组有一定研究基础的溶胶-凝胶法、溶剂蒸发诱导自转变法和水热法制备系列分级氧化铝材料，经焙烧、浸渍负载-NH2、-COOH和-SH等前体盐制备功能化分级负载型氧化铝；随后在竞争阴离子和多种重金属离子共存下，研究典型样品的分级形貌、介孔结构和功能化基团与其重金属吸附性能之间的关系，揭示其选择性吸附Cr(VI)功能导向的作用机理，并构建高效的重金属动态吸附-脱附-再生循环使用系统。该研究将发展分级负载型介孔氧化铝的可控制备方法，促进其在重金属废水处理领域中的应用基础研究。

近年来我国Cr、Cd、Pb和Hg等重金属污染出现高发态势，高效负载型金属氧化物吸附剂的研制为上述重金属废水的治理提供了契机。本项目基于分级形貌、介孔结构和-NH2等功能化的协同作用，采用温和水热法、溶胶——凝胶法、水热辅助溶胶——凝胶法、水浴加热沉淀法和化学活化法等制备了以下高吸附性能材料：（1）分等级氧化铝、氨基功能化介孔氧化铝、分等级Mg-Al水滑石焙烧产物、碳@氧化铝、磁性Fe3O4@Al2O3-CS、拟薄水铝石/PVA复合薄膜、氨基功能化介孔氧化铝薄膜等氧化铝基材料；（2）分等级氧化铁纳米结构、有机胺修饰的磁性分等级氧化铁纳米结构、Fe(III)改性磁性壳聚糖、氨基改性Fe3O4@SiO2、CTAB改性Fe3O4@SiO2（以空心的碳球为内核、SiO2为壳层）、Fe3O4@SiO2-CS等磁性复合材料；（3）花生壳等农业废弃物基磁性炭（MPAC）和胺基功能化磁性碳材料。随后在竞争阴离子和多种重金属离子共存下，对比研究了典型样品的分级形貌、介孔结构和功能化基团与其重金属吸附性能之间的关系，揭示其选择性吸附Cr(VI)功能导向的作用机理，并构建高效的重金属动态吸附-脱附-再生循环使用系统。尤其是采用化学活化法制备的典型MPAC样品在动态吸附装置中对武汉某电镀厂含铬电镀废水表现出了优异的吸附性能，可以使其Cr(VI)浓度从680 mg/L降至10 mg/L，在重金属废水处理领域显示出良好的应用前景。相关拓展研究包括基于四唑盐的CH4存储金属有机框架结构的计算设计、炔键对类金刚石碳同素异形体氢吸附性能的影响（从第一性原理到分子模拟）、嵌入配位不饱和金属位对多孔芳香骨架材料储氢性能的影响等。本项目丰富了氧化铝等两性氧化物基复合材料、废弃生物质基磁性碳的可控制备方法，促进了其在重金属废水处理领域中的应用基础研究。已发表论文41篇，包括SCI收录论文39篇、SCI影响因子>3.0的论文20篇、SCI收录Top期刊论文10篇、JCR Q1区论文19篇、Physical Chemistry Chemical Physics封底文章1篇；申请国家发明专利22项，获授权3项。指导1名硕士生获武汉理工大学优秀硕士学位论文，指导本科生获全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛决赛一等奖1项。