重金属离子在功能化纤蛇纹石纳米管上的吸附性能及机理研究

In this project, the method of preparation of a new kind of highly efficient adsorption material and its performance and mechanism of removal of heavy metal ions were studied. Firstly, the natural chrysotile nanotubes was composited with magnetic iron oxide by coprecipitation mothod and the artificial magnetic chrysotile nanotubes was synthesized by hydrothermal method. Secondly, the mercapto, amino and other organic functional groups were controllably grafted to the surface of the magnetic chrysotile nanotubes by the environmental friendly low temperature plasma technology and the functionalized chrysotile nanotube composites with the magnetic properties and excellent selective performance and adsorption features were prepared. Based on the static adsorption method and micro characterization techniques (TEM, FT-IR, XPS, etc), the selective performance and adsorption features of heavy metal ions (Pb (Ⅱ), Cd (Ⅱ) and Cr (Ⅲ)) on the nanocomposite materials were researched. The main factors affecting the selective performance and adsorption features of heavy metal ions on the nanocomposite materials and the affecting rules were ascertained. The relationship between the nanocomposite material compositions and heavy metal ions adsorption features was revealed. The adsorption mechanism of heavy metal ions on the nanocomposite materials was expounded. The research will provide the new scientific ideas for the development of the new adsorbents and techniques for the removal of heavy metal ions. There is much in the achievements of the project that can be maken use of for the studies of treatment of contaminants, environmental chemistry, materials chemistry, environmental engineering and other branch subjects.

本项目旨在研究一种新的、高效的吸附材料制取方法及其去除重金属离子的性能与机理。首先利用共沉淀法在天然纤蛇纹石纳米管上组装磁性铁氧化物，利用水热法人工合成出磁性的纤蛇纹石纳米管；进而利用环境友好的低温等离子体技术在磁性纤蛇纹石纳米管表面可控接枝上巯基、胺基等有机功能基团，制备一种具有磁性及优良吸附性能和选择性能的功能化纤蛇纹石纳米管复合材料。利用宏观静态吸附法和微观表征技术（TEM、FT-IR、XPS等）相结合，研究该材料对重金属离子（Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和Cr(Ⅲ)）的选择性能和吸附性能，探明影响重金属离子在该材料上吸附的主要因素及其影响规律，揭示该材料的组成与吸附重金属离子性能之间的关系，阐明其对重金属离子的吸附机理等。本项目研究可为发展重金属离子处理用的新型吸附材料和新技术提供创新性学术思想，研究成果对污染物处理技术、环境化学、材料化学、环境工程等分支学科研究都具有重要的借鉴意义。

纤蛇纹石是一种天然的一维纳米管材料，具有高表面化学活性和生物活性，使其可以作为高吸附能力的吸附材料，有望被用来治理环境污染。但由于天然纤蛇纹石存在管径不均、不易提纯，使用后难以快速分离等缺陷，严重影响了其在环境污染治理中的应用。本项目主要研究了纤蛇纹石纳米管的合成方法、磁性负载方法及其有机功能化方法，功能化纤蛇纹石纳米管结构等的表征；采用宏观静态吸附法和微观表征技术相结合的方法，研究了该纳米复合材料对环境水体中重金属离子的吸附和选择性能，探明了影响重金属离子在该材料上吸附的主要因素及其影响规律，揭示了该材料的组成与吸附重金属离子性能之间的关系，阐明其对重金属离子的吸附机理等。研究结果表明：合成的磁性纤蛇纹石为纳米管状结构，管的内径为8~12nm、外径为25~50nm、管长为100~400nm，比表面积和孔容分别为162.0m2•g-1、0.39cm3•g-1，饱和磁化强度为12.78emu/g；其表面存在大量的有利于吸附重金属离子的Si-OH、Mg-OH和Fe-OH等。巯基功能化纤蛇纹石纳米管(ChNTs-SH)对重金属离子的吸附受到pH和温度的影响较显著；其吸附Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)的动力学更接近于拟二级模型，吸附等温线更符合Langmuir模型；298K下，其对Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)的最大吸附容量分别为（mg•g-1）：89.69、39.96和43.73；与纤蛇纹石纳米管相比，巯基基团的引入使其对Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)的吸附能力有了很大的提高，同时使其拥有了良好的选择性能；ChNTs-SH对Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)的选择性吸附顺序为：Pb(Ⅱ)>Cd(Ⅱ)>Cr(Ⅲ)。ChNTs-SH对Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)的吸附机理以静电吸引、表面络合和离子交换为主；与其它巯基功能化材料（如：巯基海泡石、巯基蒙脱石、SH-MCM-41等）相比，ChNTs-SH的吸附性能较优；吸附重金属离子后的ChNTs-SH具有良好的再生及循环利用性能等。本项目研究为发展重金属离子处理用的新型吸附材料和新技术提供了一定的理论依据和实践支持。