高效羟基磷酸盐系磁性复合重金属吸附材料的可控制备与特性研究

Water pollution by heavy metal ions is becoming more and more serious which requires immediate response. Recently hydroxyapatites have demonstrated excellent performance in heavy metal ion absorption in aqueous solutions. In order to meet the requirements for practical application, further improvements on their absorption capacity, selectivity and fast recycle capability are still needed. In this work, we are going to design and develop a series of hydroxyapatites on sub-micron level Fe3O4 inner core/SiO2 shell composites which combine the excellent absorption performance and fast magnetic separation capability. Through systematic investigation on the absorption properties together with the structural characteristics of the materials, the mechanism responsible for their absorption capacity and selectivity will be discovered at microscopic level, and highly selective as well as fast separation of heavy metal ions from aqueous solutions under strongly acidic and/or complex conditions may be achieved. Depending on studies on the recycle process, a practical route for heavy metal ion absorption and reuse from aqueous solutions will be established. The accomplishment of this project will be helpful to promote the developments of novel inorganic composites with high performance and multi functions on heavy metal ion absorption, will be helpful to understand the interaction between heavy metal ions and inorganic absorbents, and will be helpful to promote the effective control of heavy metal ion pollution in aqueous solutions.

水体中重金属离子污染日益严重，已成为亟待解决的环境问题。羟基磷酸盐系无机材料在重金属离子处理研究中已初步展示出良好的吸附特性，但其综合性能如吸附量、选择性和高效分离能力尚有待提升。本项目拟首先设计并可控制备具有优异吸附性能和高效磁分离功能的Fe3O4亚微米内核/SiO2包覆层/羟基磷酸盐系磁性复合结构，系统研究其构效关系、吸附动力学及吸附机理，揭示其相互作用的微观机制；系统研究磁性复合材料在多种水体环境下对重金属离子的吸附特性，实现在强酸、复杂水溶液中的高选择性、高效快速吸附与分离；研究其吸附重金属离子后的回收富集行为，形成具有应用价值的吸附回收技术路线。本项目实施将有助于推动发展多功能高性能重金属离子吸附无机材料技术，有助于深入理解高效高选择性重金属离子吸附机理，推动复杂水体中重金属离子的高效可控吸附与回收，对于水体中重金属离子污染的有效控制具有重要的实验价值和理论指导意义。

水体中重金属离子和染料污染一直是环境治理中的重要问题。羟基磷酸盐系无机材料在重金属离子处理研究中已初步展示出良好的吸附特性，但其综合性能如吸附量、选择性和高效分离能力尚有待提升。本项目采用低温合成方法成功制备了结构稳定、形貌可控及具有高去除铅离子性能或强吸附甲基蓝染料能力的磷酸盐体系（β-SrHPO4、Sr3(PO4)2、SrHAp、BaHAp、CaHAp等），同时采用硬模板方法和水热法成功合成了磁性磷酸盐体系（Fe3O4-SrHPO4、CaHAp/Fe3O4、SrHAp/Fe3O4、Fe3O4@SiO2-SrHAp复合微球等），系统研究了材料结构形貌、溶液pH值、反应时间、温度对材料性能的影响，对其吸附动力学和热力学进行了模拟讨论，并对其固铅或吸附染料的机理进行了系统表征和深入探讨，同时研究了该类材料在实际强酸性复杂污水中的选择性、吸附特性和脱附性能。羟基磷酸锶（SrHAp）比羟基磷酸钙（HAp）对Pb2+的吸附性能更加优异，同时锶是人体内重要的元素，锶磷酸盐是重要的生物材料。研究表明Sr磷酸盐（β-SrHPO4、SrHAp）具有更好的铅离子去除能力和染料吸附能力，其对应磁性体系可以在外加磁场条件下实现快速有效分离。β-SrHPO4对Pb2+的最高固定量可达1438±45 mg/g，对甲基蓝的吸附是自发吸热过程，最大吸附量为335.68 mg/g；磁性M-SrHPO4的最大固铅量可高达1215.5 mg/g；Fe3O4@SiO2-SrHAp磁性复合微球对铅离子的最佳固定量为345 mg/g；磁性SrHAp/Fe3O4对甲基蓝最佳去除能力为1960 mg/g；高于当时已有文献报道。本项目实现了用廉价环保简便的合成方法获得高性能、环保的磷酸盐体系吸附材料，利用多种表征手段对重金属离子或染料的吸附行为深入认知，阐明了羟基磷酸盐系体系材料高效去除重金属离子或染料的吸附机理，为后续该系列材料在实际污水中的环境友好净化及污染控制提供了理论依据及实验基础。