DNA水凝胶去除水中低浓度重金属离子的吸附行为与机理研究

Heavy metal pollution has become a major environmental problem owing to its endanger public health more and more seriously. Even traces of heavy metals are potentially dangerous, but the current methods have obvious limitations for removal of low concentration heavy metal ions from the slightly contaminated water. In recent years, using of natural biomass materials for adsorption of heavy metal ions arouses great concern by vast researchers. Research and development of high efficiency biomass-based materials is a key scientific issues in biosorption technology. Natural DNA is an excellent and promising biomass based adsorption material due to it has a large number of metal ions chelating groups, unique physicochemical properties and potential reactivity. Based on the previous achievements, this research intends to utilizing of biopolymer DNA as a basic material to preparation of novel DNA hydrogels bio-absorbent material. The removal efficiency of static and dynamic adsorption process, adsorption condition optimization, adsorption behavior and kinetics will be investigated experimentally. The objections of the research include clarifying the adsorption behavior and mechanism between DNA hydrogels and heavy metal ions. And some common characteristics and basic laws of adsorption process will be revealed. Through this research, a theoretical and scientific supports can be provided with development of biosorption method of DNA hydrogels. Additionally, this research might be indicate a novel technical process and method to removal of heavy metal ions effectively from the slightly contaminated water.

当前重金属污染日益严重，己成为危及人体健康的重大环境问题。微量重金属即具有潜在的危害性，而目前的处理技术对低浓度重金属污染水存在一定的局限性。近年来，将天然生物质用于重金属富集去除的相关研究非常活跃。生物分子DNA是由大量亲金属离子的螯合基团构成，具有许多优异的理化特性和潜在的反应活性，是一种理想的和极具前景的生物质基重金属吸附材料。本项目拟在已有研究的基础上，以天然生物高分子DNA为基材制备新型DNA水凝胶吸附材料，开展DNA水凝胶吸附重金属离子效能静态和动态批实验考察，以及吸附条件优化、吸附行为及吸附动力学等方面的应用基础研究。力争在高效能DNA水凝胶宏量制备，DNA水凝胶富集去除重金属离子的共性特征和基本规律、作用机制和吸附机理等方面做出有益的探索。以期为新型DNA基生物质重金属吸附材料开发及机理研究提供较系统的理论基础和科学依据，为低浓度重金属污染物高效脱除提供新的技术路线和方法。

现代工业的快速发展产生了大量含重金属的废水，其水污染问题日益严重。相比之下，吸附法具有适用范围广、反应速度快、去除效率高、环境友好等优势，在重金属去除方面受到高度关注。在诸多吸附剂中，水凝胶材料具有多孔三维网状结构，在水中溶胀的同时保持住大量水分，而自身不溶解。天然生物高分子材料DNA、壳聚糖等具有无毒无害、来源丰富、无二次污染等优点，其分子中含有的大量羟基和氨基等功能团，可与重金属离子通过螯合、离子交换或形成离子对等方式进行结合，有效富集去除废水中的重金属离子。但由于其pH适应范围窄、在酸性条件下不稳定、吸附选择性差、吸附速度慢等问题，限制了它的使用范围。因此，通过交联、接枝、改性等方法来制备成水凝胶材料，可进一步提高吸附剂的稳定性及选择吸附性。本研究以DNA、壳聚糖等天然高分子为原料，制备了多种类型水凝胶及凝胶基微球，并通过一系列皮实验对制备条件进行了优化，较系统的考察了水凝胶材料对废水中重金属离子的去除效率和吸附行为。研究发现，利用所制备的水凝胶吸附废水中的重金属铅去除率可达96%，制备的新型交联水凝胶除了可用于吸附Pb2+以外，对Ni2+、Cr3+也有吸附效果。在研究中发现，由于水凝胶自身体积较大限制了其应用，而且回收困难。因此，在此基础上进一步研究制备了的凝胶微球和纳米级凝胶微球，所制备的水凝胶材料吸附效果好、吸附容量明显增大，且经过5次循环使用后仍具有较好的吸附效果。本研究所制备的水凝胶类吸附剂作为新型生物质吸附剂，在今后处理含重金属的废水的实际应用中具有较好的应用前景，同时为吸附法去除水中重金属奠定良好基础。