多孔不锈钢基铁氧化物膜对苹果汁中重金属离子的去除机制研究

Heavy metal ions contamination in fruit juices in China is a very severe problem for juice products. However, there are no effective methods availabe for the industrial removal of the heavy metal ions to effectively control the situation. The proposal conditions on a novel iron dioxides nanoparticles which show high selective capabilities for the removal of heavy metal ions from aqueous solutions. Such iron dioxides nanoparticles are to be fabricated on a porous stainless steel support to achieve a novel membrane for the removal of heavy metal ions (As, Cr and Cd) from juices. The membrane is hopefully to afford a novel method and a technological base for the removal of heavy metal ions from juices. In order to accomplish the goal, we first study the corrosion resisting ability of the membrane in acidic solutions, and achieve an ideal membrane adaptable for juice products. The removal properties and the removal mechanism of the resultant membrane are to be explored by carefully studying the absorption dynamics and the thermodynamics of the membrane by using simulative apple juice solutions. Then the removal properties and the impact of the adsorption process on the quality of the real apple juice are to be explored. The study is to afford a novel solution and a novel material for the removal of heavy metal ions from fruit juices and to afford basic theory and basic knowledge for industrial applications of the resulting membranes for heavy metal ions removal.

重金属离子对我国果汁的污染日渐突出。有效控制果汁重金属污染对于保障食品安全和果汁业健康发展至关重要。本项目以纳米铁氧化物对重金属离子的高效选择性为依据，将其与多孔不锈钢膜分离技术相结合，制备一种对果汁中重金属离子具有高效去除能力的多孔不锈钢基铁氧化物膜，建立一种基于该膜的果汁重金属离子去除新方法，为果汁中重金属离子的去除与控制提供技术支撑。为实现这一目的，本项目将首先研究多孔不锈钢基铁氧化物膜的热处理对铁氧化物膜晶型和不锈钢基体氧化损伤的影响，并进一步研究其在果汁环境下的耐腐蚀性，获得对苹果汁适应性良好的多孔不锈钢基铁氧化物膜；利用膜对模拟苹果汁溶液中主要重金属离子（As、Cr和Cd）的吸附性能以及相应功能物质对膜去除性能的影响，揭示复杂体系中膜对重金属离子的去除机制；并以实际苹果汁为对象，研究膜在去除重金属离子的同时对苹果汁品质的影响，为该膜用于生产实践提供理论基础和实践依据。

随着我国工农业的高速发展，三废的排放和农药、化肥的滥用，导致了果汁中重金属离子的污染曾一度成为国际贸易壁垒。有效控制果汁重金属污染对于保障食品安全和果汁业健康发展至关重要。本项目开发了以多孔316L多孔不锈钢为基体的晶体Fe3O4膜去除苹果汁中的典型重金属离子，取得了以下主要结果。.（1）利用溶胶凝胶法和原位氧化法在多孔316L不锈钢表面制备了晶体Fe3O4膜，明确了原位氧化法为膜制备的最优方法，确定了原位氧化膜的制备参数，验证了膜对水溶液中典型重金属离子Cr(VI)、Pb（II）、Cd(II)的去除能力，为项目顺利实施提供了简便、合理的材料制备方法。.（2）解析了原位氧化Fe3O4膜对水溶液中的Cr(VI)、Pb（II）、Cd(II)吸附性能，确定了膜对3种重金属离子的最优吸附条件；明确了膜对3种重金属离子的吸附符合动力学准二级模型、Langmuir吸附等温模型和吸附过程的吸热行为；揭示了膜去除3种重金属离子的机制表现为化学增强的静电吸附。.（3）解析了原位氧化Fe3O4膜对水溶液中3种重金属离子的吸附过程表现为先进行静电吸附，后重金属离子和膜表面的Fe3O4颗粒中的Fe-O4和Fe-O6基团反应，最后嵌入Fe3O4颗粒的（511）和（311）晶面，导致晶格畸变；阐明了原位氧化Fe3O4膜和重金属离子之间存在不可逆的吸附过程，从而导致了膜洗脱困难。.（4）证实了原位氧化Fe3O4膜对苹果汁中的典型重金属离子具有一定的去除效果，明确了膜在苹果汁中的腐蚀情况，发现了膜在苹果汁（pH约3.7）中的耐腐蚀性和强酸性水溶液中（pH 3.0的HNO3溶液）的差异性。.（5）利用模拟果汁，明确了苹果汁中的3种主要有机酸和3种主要糖对膜的腐蚀性，确定了柠檬酸和酒石酸是引起的膜腐蚀的主要成分，明确了其作用机理为有机酸同膜表面的Fe发生螯合，导致了腐蚀的发生；发现了苹果汁中的糖类对膜具有弱的腐蚀作用，且腐蚀产物会导致膜孔堵塞。. 项目的研究结果为利用316L多孔不锈钢基Fe3O4晶体膜提供了基础数据和实践依据；并为苹果汁中重金属离子的去除提出了新的见解，为后续材料的合成提供了努力方向。