高效纳米生物基吸附材料的芯壳结构设计、可控合成及对重金属微污染物选择性消除机制

In order to effectively eliminate low concentration, high toxicity and difficult degradation of heavy metal pollutants in complex water environment, this project is intended to design and synthesize bio-based adsorptive separation nanomaterials for highly efficient capture of trace heavy metal pollutants based on the previous research including the key technology of biomass modification, nano-assembly and controllable preparation and functionalization of green adsorbents. Chitosan and benzoxazine are used as active monomers-initiated polymerization on the surface of porous magnetic nanoparticles to build high strength core-shell structure nanocomposites. Multiscale porous channels such as nano-nano, nano-micro, micro-micro structures are constructed through interface assembly of nanoscale units. The separation flux and retention rate can be improved efficiently through the synergistic effects of pore size and hierarchical channel structure. The keys of this research are to address the structure design principle, synthesis method and performance regulation mechanism of nanomaterials. The special micro-interface interaction process and micro-reaction principle between multiscale micro-nano structure materials and heavy metal pollutants are expounded, which reveal its high efficiency selective removal mechanism of trace heavy metal pollutants. It lays a solid scientific foundation for the development of a new generation of high-performance adsorption and separation of key materials and technologies.

针对在复杂水环境中经济有效地消除水中低浓度、高毒性、难降解重金属污染物的难题，本项目在生物质改性关键技术、纳米组装、绿色吸附剂的可控制备和功能化等前期研究基础上，以设计和合成高效捕获重金属微污染物的纳米生物基吸附材料为目标，拟采用壳聚糖、苯并噁嗪为活性单体在多孔磁性纳米粒子表面引发聚合构筑高强度芯壳结构纳米复合材料，通过纳米单元界面组装构建具有纳-纳、纳-微、微-微多尺度孔道结构，利用孔尺寸和多级孔道结构的协同作用，在保证分离精度的同时有效提高纳米材料的分离通量和截留率。系统研究纳米材料的结构设计原理、合成方法及性能调控机制，阐明多尺度微纳结构材料与重金属污染物的特殊微界面作用过程及微观反应原理，揭示其对重金属微污染物高效选择性消除机制，为新一代高性能吸附分离关键材料与技术发展奠定科学基础。

水资源短缺和饮用水安全是制约国民经济可持续发展的重要问题。本项目以来源广泛和环境友好的天然高分子生物质为原料，采用化学改性、热交联、电沉积、离子印迹、电喷雾和静电纺丝等技术设计和制备低成本、高效去除和检测水环境中微污染物的纳米生物功能材料，主要内容及结论包括：1）基于电纺-电喷技术合成壳聚糖（CS）/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）/聚乙烯醇（PVA）/碳纳米管（CNTs）高通量超滤膜，通过电喷时间控制选择性活性层的厚度和粗糙度，CNTs的加入为薄膜复合材料提供了纳米通道，极大增强了膜的水渗透性（1533.26~4518.91 L·m-2·h-1·bar-1）和重金属离子/染料的排斥性；2）采用单轴/同轴电纺丝制备了羧甲基纤维素（CMC）/PVA纳米纤维膜，海藻酸钠(SA)/聚乙烯亚胺(PEI)/PVA多层复合纳米纤维膜、芯-壳结构CMC/PVA纳米纤维膜、核壳结构CS/PVP/PVA@聚氧化乙烯（PEO）纳米纤维膜，实现了膜材料结构-性能关系调控；3）利用电沉积和离子印迹法在玻碳（金）电极表面构筑了用于检测重金属离子的电化学传感器，系统研究了修饰电极的结构、形貌和性能，考察了沉积时间、单体/模板比、pH值、富集时间、纳米材料参杂量等实验因素对传感器检测性能的影响，优化制备的传感器对Cr(VI)、Cd(II)和Pb(II)的线性检测范围为1.0×10-9~1.0×10-5mol/L，1×10-8~9×10-7mol/L和1.0×10-9~5.0×10-5mol/L，检测限分别为6.4×10-10mol/L，1.62×10-10mol/L和2.83×10-10mol/L，并实现了实际样品的检测能力；4）以聚乳酸、海藻酸钠、PVA等生物高分子为原料，采用电喷雾法制备了具有不同形貌如球形、圆饼状和核壳结构的纳米微胶囊，该纳米微囊具有均匀的粒径大小、较高的包封率和可生物降解性，在食品、医药、环境、能源和农药等领域具有广泛的应用前景。本项目集中研究了纳米生物材料的结构-效应关系，阐明了纳米生物功能材料与环境微污染物的界面和内部动力学作用以及微观反应原理，揭示了其对环境微污染物高效选择性消除原理和高灵敏检测机制，为新一代高性能吸附分离和传感材料的设计和制备提供理论指导和技术支持。