Fe3O4/SiO2核壳纳米粒子修饰的新型磁性生物吸附剂制备及其对重金属吸附行为研究

Biosorption as a novel heavy metal wastewater treatment technology shows a good application prospect. But the traditional biosorbents have the shortcomings of small particle, low mechanical strength and hard to be separated from the solution. Magnetic separation is a simple and efficient separation technology. This project combines biosorption and magnetic technology, applying waste biomass as the base material to prepare bisorbent with high specific surface area and high adsorption capacity through activation, then to combine biosorbent with modified magnetic Fe3O4/SiO2 core/shell nanoparticles through chemical bond to finally get the novel, efficient and stable magnetic biosorbent. The preparation method of this magnetic bisorbents and the adsorption behavior for heavy metal ions will be investigated systematically. The key contents are: to investigate the effect laws of the combination method between biosorbent and magnetic nanoparticles on the stability of the prepared magnetic biosorbent in the water solution; to investigate the adsorption kinetics for heavy metal ions on the novel magnetic biosorbent under magnetic environment and to elucidate the adsorption mechanism; to investigate adsorption-desorption behavior and cyclic performance of the magnetic biosorbent. This project may provide important theoretical support for the practical heavy metal wastewater treatment by proposing a new method to prepare the novel magnetic biosorbent and revealing its adsorption law for heavy metal ions.

生物吸附法作为一种新兴的重金属废水处理技术，展现出良好的应用前景。但传统的生物吸附剂颗粒小、机械强度低、难以从溶液中分离。磁分离是一种简单高效的分离方法，本研究将生物吸附和磁分离技术有机结合，以水溶液中重金属离子为研究对象，采用废弃生物质为基体材料，通过活化制备高比表面积、高吸附容量的生物吸附剂，然后通过化学交联的方式在吸附剂表面嫁接改性Fe3O4/SiO2核壳结构磁性纳米粒子，系统研究新型、高效、稳定的磁性生物吸附剂的制备方法，及其对水溶液中重金属离子的吸附分离行为。重点开展以下三个方面的研究：生物吸附剂与磁性纳米粒子的结合方式对其在水溶液中稳定性的影响规律；磁场作用下新型磁性生物吸附剂对重金属的吸附动力学模型及吸附机理；新型磁性生物吸附剂的吸附解吸行为及循环使用性能。通过确立新型磁性生物吸附剂制备的新方法并揭示其对重金属离子的吸附规律，为实际重金属废水的处理提供重要理论依据。

生物吸附法对重金属废水处理具有良好应用前景。但传统的生物吸附剂颗粒小、机械强度低、难以从溶液中分离。将磁分离技术与生物吸附技术相结合而开发出的磁性生物吸附剂兼具吸附性能良好、分离操作简单的优点。本研究以废弃生物质—梧桐落叶作为生物吸附材料制备生物炭，通过化学交联手段将功能化磁性Fe3O4@SiO2核壳结构磁性纳米粒子负载在羧基化生物炭表面上从而形成新型磁性生物吸附剂，探讨其对重金属的吸附行为，并考察其循环解吸性能和结构稳定性。研究结果表明，以EDC和NHS作为交联剂，可以实现富含羧基的梧桐叶生物炭与氨基化的磁性Fe3O4@SiO2核壳结构磁性纳米粒子的稳定结合，由此合成的新型磁性生物吸附剂对Cr(Ⅵ)和Pb(Ⅱ)的饱和吸附容量分别可达27.17 mg/g和24.39 mg/g，优于梧桐叶生物吸附剂，通过准二级吸附动力学可以较准确的模拟其对Cr(Ⅵ)和Pb(Ⅱ)的吸附过程（R2>0.98）。等温吸附实验表明其对Cr(Ⅵ)的吸附过程遵循 Redlich-Peterson模型（R2=0.99），对Pb(Ⅱ)的吸附过程更加吻合Langmuir模型。XPS辅助分析表明对Cr(Ⅵ)的吸附是还原-吸附的过程：Cr(Ⅵ)在酸性环境下被生物炭表面基团还原为Cr(Ⅲ)，还原生成的Cr(Ⅲ)再被Fe3O4@SiO2表面氨基所吸附。新型磁性生物吸附剂循环性能良好，6次循环解吸后对Cr(Ⅵ)的饱和吸附容量仍然维持在初始吸附容量的85%以上。此外，吸附过程中Fe溶出量始终低于0.25 mg/L，证明其在强酸性环境能够保持稳定的结构。此项研究首次实现了功能化磁性纳米粒子与生物炭的稳定结合，形成了一种结构稳定、性能良好的吸附材料，并深入研究了其对Cr(Ⅵ)的吸附机理，为磁性吸附剂的实际开发、应用提供了理论支撑。