基于对重金属高效识别及原位转化的秸秆纤维素/羽毛蛋白基离子印迹水凝胶的结构调控研究

The novel straw cellulose/feather keratin based ion-imprinted hydrogel (SC/FK IIH) with interpenetrating polymer network will be prepared using straw and feather as raw materials and ionic liquid as solvent. Different synthetic processes on the ratio of the functional groups and molecular structure will be studied. The reaction mechanism and regulation will be explored to achieve the controllable synthesis of the hydrogel with high performance and multifunctional. The effects of the molecular structure of hydrogel on the water absorbency-retention, recognition-selective ability for typical heavy metals and in-situ transformation performance for metal nanoparticles or micro-nano crystals will be theoretically studied. The structure-performance relationship will be established and the relevant mechanism will be revealed. The water absorbency-retention, metal recognition-selective ability and metal nanoparticles or micro-nano crystals in-situ transformation performance will be regulated by structural optimization design to achieve their integration control. The results of the project will not only provide theories and methods for the preparation of new, efficient, multifunctional and environmental friendly hydrogel, but also perfect the theory system of the hydrogel in water pollution treatment and resources recycling. It also has important scientific significance and practical value on the heavy metal treatment and recycling and the reuse for straw and feather keratin.

本课题以秸秆和废弃禽羽毛为原料，利用离子液体研制具有互穿网络结构的秸秆纤维素/羽毛蛋白基金属离子印迹水凝胶，研究不同的合成工艺对材料的功能基配比和分子结构的影响，探讨反应机理和作用规律，实现水凝胶高性能化和多功能化的可控合成；从理论上研究水凝胶分子结构对其吸水-持水性能、对金属离子识别选择性能和金属纳米粒子(微纳米晶体)原位转化性能的影响，建立构-效关系，揭示相关机理；通过结构优化设计，实现水凝胶的吸水-持水性能—金属离子识别选择性能—金属纳米粒子(微纳米晶体)原位转化性能的协同调控，揭示调控规律和机理。本课题研究成果不仅为新型、高性能、多功能、环境友好型水凝胶的研制和机理探讨提供理论和方法，丰富水凝胶在水环境污染治理及资源循环等领域的理论体系，而且对水环境中重金属污染治理和回收再利用，以及农作物秸秆和废弃羽毛蛋白的资源循环利用具有重要科学意义和实用价值。

本课题基于我国对水中重金属污染防治与再利用、合理开发废弃生物质、促进资源开发和生态环境保护的需要，以农作物秸秆、羽毛蛋白为原料，研制具有互穿网络结构的秸秆纤维素、羽毛蛋白基水凝胶，优化了合成工艺，解释了合成机理；系统研究了不同水凝胶对不同重金属离子的吸附和原位转化性能，揭示作用规律和机理；阐明了水凝胶再生纳米金属（金属晶体）的再利用性能和作用机制。结果表明，单体丙烯酸、聚乙烯醇、引发剂、交联剂的量及丙烯酸中和度等合成条件都会影响材料的性能，秸秆基水凝胶和羽毛蛋白基水凝胶对典型重金属离子的吸附过程均符合伪二级动力学吸附过程，且都为自发的物理吸附过程，热力学吸附研究表明秸秆基水凝胶的吸附更符合Langmuir模型和Dubinin-Radushkevic模型所述规律，而羽毛蛋白基水凝胶吸附重金属的过程更符合Freundlich模型所述规律。水凝胶独特的三维网状结构和功能性基团不仅可以有效的吸附金属离子还可以作为模板原位制备金属纳米粒子，保护纳米金属颗粒防止氧化，并实现纳米金属颗粒均匀的分布、防止纳米粒子聚集。以水凝胶为模板原位转化的纳米铜和纳米镍金属粒子，可以用于催化还原产氢和催化还原降解污染物，催化剂在重复使用5次后，转化率一直保持100%，催化活性均保持70%以上，存储30天后，催化活性均保持60%以上；以水凝胶为模板原位转化的CdS量子点具有优良的可见光催化性能，可实现有机污染物的高效光催化降解，经过5次循环后，对典型污染物的去除率仍能达到90%以上，降解速率保持在80%以上。此外，作为课题的延伸和拓展，课题组探索性地利用水凝胶研制新型纳米金属@纳米碳复合催化剂，并成功地应用到高级氧化工艺中用于处理难降解有机污染物，丰富了研究内容，拓宽了水凝胶的应用领域。本课题研究成果将丰富水凝胶在水环境污染治理及资源循环等领域的理论体系，对重金属污染治理和原位再利用，废弃生物质的资源循环使用具有重要科学意义和实用价值。