介孔印迹纤维素纳米晶复合膜的构筑及其选择性吸附分离镝离子的研究

It has high economic and environmental value to selective retrieve high purity dysprosium from abandoned rare earth products. Difficult to selective separate of single rare earth elements, low specific surface of biomass materials, and complex subsequent separation process make it difficult to be industrialized. The purpose of this study is to study selective separation and recovery of dysprosium ions efficiently. Cellulose nanocrystals as a structural unit, which can coordinate with dysprosium ion to build a high surface area and high selective mesoporous imprinted composite membrane by one step. Adding oxidized carbon nanotubes to further enhance the mechanical properties and adsorption selectivity of mesoporous imprinted composite membrane. After structure and function optimization, the adsorption behavior of mesoporous imprinted composite membrane for dysprosium are studied by solid-liquid extraction system. Reaction and mass transfer mechanism of mesoporous imprinted composite membrane are studied. Elucidate the structure-activity relationship of three kinds of modified cellulose nanocrystals, modified carbon nanotubes, and dysprosium elements. Provide a theoretical basis for simple, efficient, and high selective adsorption and separation of single rare earth elements, and establish new method of selective recovery of dysprosium from abandoned rare earth products.

从废弃稀土产品中选择性分离回收高纯镝元素具有极高的经济与环保价值。针对稀土元素间选择性分离镝元素较为困难、生物质吸附材料比表面低、纳米吸附材料后处理过程复杂难于工业化应用等问题。本课题从高效选择性吸附分离镝离子的研究目的出发，采用纤维素纳米晶为膜结构单元，通过其与镝离子的配位作用一步构筑高比表面积和高吸附选择性的介孔印迹纤维素纳米晶复合膜，通过添加氧化碳纳米管进一步提升复合膜的机械性能和吸附选择性，并对其结构和功能优化，并深入研究介孔印迹纤维素纳米晶复合膜对稀土镝离子的吸附行为，构建基于固-液萃取法的高选择性吸附分离镝离子吸附体系，揭示介孔印迹纤维素纳米晶复合膜对镝离子吸附机理和传质机理，阐明改性纤维素纳米晶、改性氧化碳纳米管和镝元素三者构效关系，为单一稀土元素的高效、简便、高选择性吸附分离提供理论基础，建立废弃稀土产品选择性回收高纯镝元素的新方法。

稀土已经成为化工业与军工业重要的战略资源。针对稀土元素间因相似的理化性质导致选择性分离单一稀土元素较为困难，生物质吸附材料比表面低，后续分离过程复杂而难于工业化应用等问题。本课题按照原计划采用纤维素纳米晶（CNCs）为膜结构单元，引入表面离子印迹技术和碳基纳米材料。通过丰富表征方法手段研究CNCs薄膜的微观形貌、手性液晶相列结构，孔道性能以及机械强度。吸附实验综合考察了CNCs薄膜的吸附容量、吸附动力学、选择性和循环性等性能，并通过建立吸附模型，从本质上探索吸附机理。其中，将CNCs上的C6伯醇羟基被选择性氧化为羧基。改性后的氧化CNCs为功能单体和基元，氧化碳纳米管和氧化石墨烯为协同功能单体和结构稳定剂，Dy(Ⅲ)为印迹模板，设计一系列高吸附容量和高选择性的介孔印迹CNCs复合膜，对模板离子的分配系数达到872.27 mL g-1。此外为了拓宽生物质吸附材料的应用范围，课题组还通过低温热致相分离技术结合离子印迹技术制备的壳聚糖印迹多孔纳米纤维复合膜其对Gd(Ⅲ)离子最大吸附容量为71.00 mg g-1。负责人及课题组成员严格遵守《国家自然科学基金条例》规定并受益于本项目的资助，项目组紧密围绕项目研究内容开展了一系列富有成效的研究工作，已累计在等国际知名期刊上发表SCI论文17篇（其中标注基金号17篇）。其中一区论文2篇，影响因子大于5的10篇；累计申请国家发明专利4件；项目研究中共独立培养了硕士生2名；联合培养了硕士生2名；2名硕士研究生在读。