去除纳米污染物的功能化蛋壳膜生物材料构建及作用机理研究

Nanomaterials are a class of the emerging new contaminants. The existing studies have shown that conventional water treatment processes can not effectively remove nano-pollutants in the water, there is an urgent need to study a new method to remove the nano-pollutants. Exploring the natural biomaterials-based environment-friendly adsorbent to remove the nano-pollutants is a new attempt.On a preliminary basis, the present project is focused on investigating new methods for removal of toxic nanoparticles including silver nanoparticles, gold nanoparticles,and quantum dots, etc., by the FEMBs (functionalized eggshell membrane biomaterials). The major works include: (1) screening of functionalized methods,synthesis,construction and characterization of FEMBs; (2) study of the adsorption characteristics and mechanism of FEMBs for nano-pollutants; (3) biological adsorption process simulation; (4) application research of FEMBs in removal of nano-pollutants. The results from this project will not only help us to understand the mechanism underlying the selective adsorption of nano-pollutants by biomaterials, but also provide us novel idea and new technology to remove nano-pollutants by the natural biomaterials-based environment-friendly adsorbent.

纳米材料是一类潜在的新型污染物。现有的研究表明,常规水处理工艺不能有效地去除水中的纳米污染物,迫切需要研究去除纳米污染物的新方法。探索基于天然生物材料的环境友好型吸附剂去除纳米污染物是一种新的尝试。在前期研究基础上，本课题以纳米颗粒如银纳米、金纳米及量子点等新型污染物为对象，探索利用功能化蛋壳膜生物材料（FEMBs）去除有毒纳米污染物的新方法。主要开展：（1）功能化方法筛选、FEMB的合成构建及表征；（2）FEMBs对纳米污染物的吸附特性及机理研究；（3）FEMBs对纳米污染物吸附过程模拟；（4）FEMBs在纳米污染物去除中的应用研究。本项目有利于从根本上认识生物材料与纳米污染物作用的选择性及分子机理等关键科学问题，对探索环境友好型吸附剂去除水中的纳米污染物提供了新思路和新方法，有重要意义。

纳米材料是一类潜在的新型污染物。本课题研究功能化蛋壳膜等材料对纳米污染物的去除及机理。主要内容及成果为：（1）巯基乙酸铵处理蛋壳膜后，再用H2O2氧化得到的磺酸化蛋壳膜可吸附去除水中纳米银及纳米金，吸附符合准二级动力学模型和Langmiur模型，吸附量分别是蛋壳膜的4倍及2倍。去除驱动力主要是静电作用。（2）以蛋壳膜、1,6-己二胺和铁前驱体合成的氮掺杂磁性碳材料可快速吸附纳米金（30分钟内），吸附符合准二级动力学模型和Langmuir模型，最大吸附量约1660 mg/g。（3）聚乙烯亚胺(PEI)修饰的柚子皮对水中碲化镉量子点的吸附符合准二级动力学及Frendlich模型。溶液pH及腐殖酸对吸附影响小，而盐度影响较大。去除驱动力主要是PEI与碲化镉的化学作用和静电作用。柱实验表明功能化柚子皮可用于实际水样中量子点的去除。（4）多壁碳纳米管的直径、表面性质（羧基化等）、溶液pH、盐度、腐殖酸、纳米银及纳米金表面配体等因素均影响纳米银及纳米金的去除，其中表面性质（羧基功能化）和大小（包括碳纳米管直径及纳米微粒的大小和均匀度）影响最大，其次是静电作用。碳纳米管对柠檬酸银纳米及柠檬酸金纳米的吸附符合准二级动力学模型和Langmuir模型，吸附量分别为476.19及666.67 mg/g，是粉末活性炭吸附量的7倍左右。（5）聚多巴胺功能化磁性材料可吸附水中阿拉伯胶纳米银，其产物可高效催化硼氢化钠还原去除亚甲蓝。其吸附纳米银后的产物具有磁性及耐酸稳定性，为贵金属纳米微粒的去除及回收利用提供了新策略。（6）利用PEI功能化磁性硅壳提高对纳米银的吸附能力，优化条件下功能化磁性硅壳对纳米银的吸附量是文献报道的吸附剂的5到181倍。其吸附纳米银后的材料可高效催化硼氢化钠还原对硝基苯酚，在贵金属纳米材料回收处理等方面有应用前景。（7）巯基功能化蛋壳膜可去除溶液中的铜、六价铬、镉、银、汞及铅离子等有毒金属，其吸附量远大于未修饰的蛋壳膜。巯基功能化蛋壳膜与铜、镉、银、汞及铅离子等形成络合物，将六价铬还原为三价铬，实现六价铬的解毒。发现蛋壳膜吸附烷基苯磺酸钠形成的混合胶束可有效吸附多环芳烃，据此构建了吸附多环芳烃的方法。（8）不同配体保护的纳米银在PEI-碳纳米管复合材料修饰电极上的电化学行为属于表面吸附控制，纳米银表面电荷决定其在电极上的吸附量，可望用于不同配体修饰的纳米银微粒的区分检测。