新型酸碱双功能吸附材料的设计、制备及其对废水无机污染离子的吸附研究

Among a variety of environmental pollution, water pollution is the most extensive, the most serious and the most difficult one to control. Explore an efficient water purification material and technology is still a vital task facing today's environmental science. The existing technology is difficult to deal with the soluble inorganic contaminants which the positive and negative ions coexist continuity in waste water. This project aims to the solve the problem. A new idea and method were put forward to design a bifunctional zeolite-based adsorbent material which has a surface with separate dual acidic and alkaline center. The technical ways and means of acidic and basic groups simultaneously introduced were studied; The distribution of acid and base groups on the adsorbent carrier were determined; The adsorptive performance for anionic, cationic and mixed systems were evaluated; The physical and chemical effects between acidic, alkaline center and anions, cations in waste water during absorption process were characterized; The structure and properties changes of adsorbents before and after adsorption were examined. Through systematic research, 2 key scientific problems will be addressed. The first one is the building principle, the interaction and distribution law of acid and base active sites in the same substrate surface; The second is the synergistic effects and interactive mechanism between the bifunctional surface active sites when they simultaneously adsorb positive and negative ions from wastewater. This research has important theoretical and practical value which can improve adsorption theory and develop new technologies, thus can promote the research and application of waste water purification adsorbent material.

在我国各种环境污染中，水体污染面最广、最严重且最难治理。探索高效水净化材料和技术依然是当今环境科学面临的重大任务。本项目针对现有技术对可溶性无机污染物难于处理问题，并基于正、负离子污染物在水中共存的通性，提出设计制备表面具有分立酸性和碱性中心的双功效分子筛基废水净化吸附材料的新思路和新方法。研究酸性和碱性基团同时引入的方法和途径；测定酸、碱基团在分子筛载体上的分布；评价材料对阴离子、阳离子和混合体系的吸附性能；表征材料表面酸、碱中心与废水中阴、阳离子在吸附过程中的物理化学作用；考察材料在吸附前后的表面结构和性质变化。通过研究，解决两个关键科学问题：一是同一基体材料表面酸、碱活性位点的构筑原理、相互作用和分布规律；二是材料表面双功能活性位点同时吸附脱除废水阴阳离子的协同效应、作用机理。该研究对于完善和发展吸附理论并扩展吸附新技术，推动废水净化吸附材料的应用开发和研究具有重要理论和实际价值。

我国水污染严重，发展可同时去除水中不同类型重金属和有机污染物的水污染治理技术，是保护生态环境和人体健康的重大需求。针对污染水体中共存的不同种类阴、阳离子污染物，本项目结合当前纳米材料及相关环境催化净化技术的发展，着力于构建具有大比表面，且表面具有多种活性中心的复合结构材料。例如在材料表面构建具有分立的酸性和碱性中心，或者实现吸附剂或催化剂在同一材料上的高效复合，顺利完成了预期工作。部分研究结果已以第一作者或通讯作者在J. Mater. Chem. A，ACS Applied Materials & Interfaces、Nanoscale、Chem. Common、Chem. Eng. J.、ACS Sustainable Chem. Eng. 等国际著名期刊杂志上，共发表SCI期刊32篇。具体包括： .1）基于离子调控纳米材料生长的方法，设计和制备了一系列具有大比表面、多活性中心的多孔硅酸盐基吸附材料，系统探讨了多孔材料的形成机制。拓展了相关思路在其他类型环境水净化材料制备上的应用，实现在不外加有机模板剂条件下，利用简单的离子调控纳米材料的生长，合成得到一系列具有大比表面积、多活性位点的介孔、中空、核壳形态的纳米结构材料（包括Mn2O3、Mn3O4、C3N4、普鲁士蓝、UiO-66等）。揭示相关材料的微观结构以及各组分的分布，进而阐明了离子调控材料生长、相变在制备多孔材料的相关规律。.2）系统研究了上述多孔材料与污染物的相互作用机理，阐明了不同活性组分的协同作用机制。例如，具有尺寸选择性地冠醚可以提高纳米硅酸钙、介孔沸石微球等对水中痕量金属离子的去除率和选择性。在MnCa复合结构中，CaO的离子交换能力可促进MnOx的芬顿催化速度和效率，实现水中有机、无机污染物的同时高效去除（尤其是共存的染料可在数秒内去除）。.3）发展了相关水处理材料的循环再生思路。例如结合光催化技术发展了纳米零价铁的循环再生思路；利用化学还原等调控Mn的价态，实现Mn基类芬顿催化剂的再生。 .总之，相关材料的研制、界面和微观结构的调控、反应体系的构建、以及反应机理的研究为水中复杂有毒污染物的治理提供了新的思路和技术支撑。