氨基聚合物嫁接磁性介孔硅构建重金属吸附材料及其性能研究

Mesoporous silica is a good candidate for contaminant removal via adsorption process because of its excellent properties such as large specific surface area and adjustable large pore size. And there are plenty of Si-OH groups on the surface and in the pores of mesoporous silica, which can be modified with functional groups to be acted as adsorption sites. But there are still some problems such like low coverage of functional groups, poor mechanical tolerance and hard to be recycled, which limit its application in water treatment. In this proposal, amino-functionalized mesoporous silica for heavy metals removal from water with high adsorption capacity, rapid adsorption time and good stability will be prepared by introducing the polymeric chelating agent with plenty of amino groups, polyethylenimine (PEI), into a kind of mesoporous silica, SBA-15, via chemical grafting. At the same time, the obtained composites with magnetic iron oxide in the silica framework can be quickly separated from water under magnetization. In addition, it can be un-chelating under acidic conditions for reuse, which makes it more economical. After fabrication and investigating the adsorption behavior to various heavy metals based on this kind of amino-functionalized magnetic mesoporous silica, we can get a nice mesoporous silica-based adsorbent with high adsorption capacity, good stability and can be reused for several times, which is benefit to water treatment and environment protection with a new efficient adsorbent prepared in a new way.

介孔硅基材料比表面积大，孔径可调，其孔壁存在的大量硅羟基活性位点，通过硅烷偶联剂修饰上氨基等络合基团，可以提高介孔硅基材料对重金属离子的吸附能力。但该方法存在功能基团含量低，材料本身机械稳定性差、再生困难等问题。本项目拟通过含大量氨基的低分子量支化聚乙烯亚胺“重金属捕集剂”与介孔硅基材料SBA-15化学嫁接，引入大量络合基团的同时提高介孔硅基材料的机械强度，构建一种吸附容量大、吸附速度快、机械稳定性好的重金属吸附材料。同时，该吸附材料由于介孔硅骨架中复合了磁性纳米粒子而能在外加磁场作用下迅速从水体中分离。分离后在酸性条件下能破坏聚乙烯亚胺所含氨基络合基团与重金属离子的相互作用，实现吸附材料的再生和重复使用。通过该材料的构建及其对重金属离子的吸附行为研究，有望解决目前介孔吸附剂普遍存在的吸附容量小、机械强度低、重复使用困难等问题，为重金属废水处理和环境保护领域提供理论基础和材料支持。

本项目旨在构建一种能在水体中高效吸附重金属离子并能快速分离的氨基化磁性介孔硅基材料，为介孔硅基材料在环境保护领域水体污染物去除方面的应用提供理论支持。基于原计划书中提出的研究目标，并结合环境净化领域理论技术的发展及材料的应用需求，本项目执行期间在吸附对象、污染物去除方法、制备的复合纳米材料类型等方面进行了拓展，取得的主要研究成果如下：.1）设计并合成了表面修饰印迹聚合物的磁性介孔硅球，或将磁性介孔硅球与微生物复合，实现了磁性介孔纳米复合材料对水中重金属离子、有机染料分子等的高效选择性吸附及原位降解去除；.2）设计合成了经氨基聚合物修饰的吸附-可见光催化降解一体化复合材料，在快速吸附水中污染物的同时对其进行原位高效降解，并实现材料的“自清洁”及重复使用；.3）设计合成了一系列以静电纺丝纤维膜、镍泡沫等作为载体的负载型吸附-光催化降解一体化复合材料，实现对水体中染料六价铬离子、苯酚、抗生素等的快速无害化去除；.4）设计合成了一系列具有反蛋白石结构、中空介孔结构等有序大孔结构的多孔性半导体光催化复合材料，实现对水体中六价铬离子及有机污染物的快速吸附及高效无害化去除；.项目始终围绕具有环境净化应用价值的新型纳米复合材料方面深入开展研究，研发了一系列具有潜在应用价值的新型环保纳米复合材料，实现对水体中多种污染物的高效富集-原位去除，为水体净化提供了新材料和新方法。.在本项目的资助下，四年来共发表二区以上SCI论文26篇（其中一区论文13篇）；获授权美国发明专利1项及中国发明专利1项；已培养博士研究生3名、硕士研究生9名。