硅基磁颗粒固定羧甲基壳聚糖用作稀土萃取微胶囊的基础研究

从低浓度溶液中回收富集稀土，无论对资源利用以及环境治理均具有重要意义。目前通常采用吸附来实现这一目的。本课题提出在具有核壳结构的超顺磁性硅基磁颗粒载体表面，通过两步化学反应固定两性聚合物分子羧甲基壳聚糖，形成具有一定取向和通道的高分子层微胶囊，用于萃取分离稀土，并借助外加磁场强化固液分离。具体考察以下几点内容：①通过研究不同参数对萃取行为的影响，优化萃取分离条件，特别是由于聚合物分子的两性，改变溶液pH，以期实现稀土离子的萃取选择性的调控，提高分离系数；②建立萃取动力学模型和等温线模型；③建立羧甲基壳聚糖分子结构的两性，载体粒径以及稀土萃取性能的构效关系；④探讨在稀土离子配位过程中，分子中-OH、-NH2以及-COOH等官能团可能存在的协同配位效应。该课题的研究将丰富稀土离子磁助化学分离内涵，在深刻理解两性配体分子对稀土的萃取行为的基础上，为基于生物高分子的微胶囊分离技术提供功能化设计的。

在基金委的资助下，本工作研究了系列生物质凝胶对金属离子的吸附容量和选择性。主要包括掺杂SiO2的羧甲基壳聚糖复合吸附剂，以海藻酸为基质的硅基生物吸附剂，以聚谷氨酸和海藻酸为基质的复合生物吸附剂，对稀土离子的富集和分离性能。此外，以天然糖类为原料水热法合成的碳微球，研究了其对金的富集能力和分离选择性，探讨了实现负载金的高附加值碳微球材料的制备和吸附分离一体化的可行性。项目执行期间，共发表专业核心SCI论文10篇，申请专利4件，国际会议论文1篇。具体研究成果包括：.采用溶胶-凝胶法一步合成了掺杂SiO2颗粒的羧甲基壳聚糖（CMCH）复合凝胶（SiO2/CMCH）。SiO2/CMCH对Nd(III)的吸附能力与溶液的pH有关，这与吸附剂中CMCH的COOH和NH2的存在形态有关。研究表明，NH2对–COO-和Nd3+之间的配位存在显著的协同效应。吸附剂对Nd的吸附量偏低的主要原因是所使用的羧甲基壳聚糖其脱乙酰度以及羧化度偏低。.制备并研究了海藻酸系列生物吸附剂ALG，ALG-SiO2，ALG-CaSiO3，ALG-P507 以及ALG-CaSiO3-P507对稀土的吸附行为。结果表明，SiO2或CaSiO3的掺杂，可以有效地提高海藻酸微球的机械强度和耐酸碱性；所制备的硅酸钙为壳，以海藻酸钠为核并包埋了P507的复合吸附凝胶，在一定程度上减少了所包埋的萃取剂P507在萃取过程中的释放。此外，合成了掺杂PGA的海藻酸凝胶，吸附容量大大提高，且相邻稀土元素之间，以及稀土与非稀土之间的分离系数也得以提高。吸附机理属于阳离子交换机理。ALG-PGA对Nd(III)的最大吸附容量可以达到1.65 mmol/g。吸附剂有着良好的循环使用性能。.糖类化合物通过水热法合成的水热碳球(HCSs)，具有1-2 μm的直径，其表面含有的丰富官能团C-OH和C-O-C在吸附Au(III)的过程中扮演了还原剂的重要角色。特别是，以葡萄糖为糖源合成的水热碳球对AuCl4-具有特异选择性。外加还原剂甘氨酸，不仅提高了其对AuCl4-的吸附容量，而且加快了吸附速度。借助甘氨酸的辅助还原，在水热碳球的沉积耦合作用下，实现了还原产物金纳米单质在水热碳球表面的沉积。研究表明，采用糖类化合物制备的水热碳球，实现从复杂工业废水中回收金与金纳米单质负载的高附加值碳球材料制备一体化具有可能性。