新型多元金属/聚芳香胺复合材料催化吸附除砷的基础研究

Nowadays, aquatic aresine (As) pollution has become a great problem for ecological environment in China. Adsorption method is one of the development orientations for the treatment of As-containing wastewater. As(III) usually exists as neutral molecule in normal water system. Therefore, As(III) transformation control is the key problem for Arsenic adsorption removal in aqueous water.But the current adsorption materials can hardly transform the As(III) through oxidation, while the pre-oxidation by compounds such as NaClO brings about secondary pollution by introducing new intermediates and green oxidants like O2 usually has low oxidation efficiency. To solve these problems, by combining with the catalytic property of metal oxides, this project proposes the design and fromation of new structure of metal/polymer composites, which can catalyze the oxidation of As(III) and in-situ adsorb the yielded As(V) based on O2/H2O2 oxidation system. It is planned to (1) investigate the structure of novel multiple-metal/poly(aromatic amine) composite and its relationship with As treatment performance; (2) study the form transformation rule of As(III) in aquoues water and the catalysis mechanism of composites; (3) reveal the adsorption kinetics, mechanism and technics of As compound treatment. It is anticipated to develop and provide theoretical basis and method for clean fabrication of a series of composites with catalysis-adsorption ability through the endeavor of this project, to further expand the technical prototype of application and theoretical basis of effective purification of As pollution in wastewater system.

水体砷污染是当前我国生态环境面临的重大问题。吸附法是含砷废水处理的重要的发展方向之一。由于在常规水体中通常以中性分子态存在，控制 As(III)形态转化是水体中砷吸附净化研究的关键。但现有吸附材料难以有效氧化转化As(III)；而采用NaClO等预氧化，会引入新物质，导致二次污染；采用分子氧等绿色氧化剂，其氧化效率不高。针对上述问题，本项目基于金属氧化物的催化性能，设计构造一类兼具催化吸附功能的金属/聚芳香胺复合材料新结构，并结合分子氧/H2O2绿色氧化体系，实现催化转化As(III)，强化吸附过程。拟研究(1)新型多元金属/聚芳香胺复合材料结构与除砷的构效关系；(2)研究As(III)形态转化及复合材料催化机制；(3)揭示复合材料的砷吸附过程、机理及工艺特征。通过本项目研究，为实现一类新型复合材料制备提供科学依据及方法，并丰富拓展水体系中砷污染物高效净化的基础理论及应用技术原型。

水体砷污染是当前我国生态环境面临的重大问题。吸附法是含砷废水处理的重要的发展方向之一。研究表明，常规水体中高毒性As(Ⅲ)通常以中性分子态存在，因此如何促使As(Ⅲ)高效转化成离子态低毒性As(V)，是实现水体中砷解毒及强化吸附分离的关键。现有研究仍然存在水溶液中As的形态分布及氧化转化规律与机制不清，材料界面难以原位高效催化/氧化As(Ⅲ)，与As亲和力弱，吸附量偏低等问题。本项目提出多金属掺杂改性实现复合材料界面协同原位氧化/强化吸附As(Ⅲ)的新思路，开展了系列创新研究，取得如下结果：. （1）研究了水溶液中As的形态转化过程行为，阐明了砷在水环境中存在形态与Eh值、pH值的量化关联关系，分析了不同自由基氧化环境下的As(III) 形态转化可能途径；. （2）探明了Cu、Cu/Ce等多元金属掺杂材料界面催化氧化规律，发现了溶液中溶解氧氧化As(III)的促进效应，阐释了掺杂金属材料界面催化氧化/吸附As(III)的机制；. （3）分析了Cu、Mn等金属掺杂改性聚间苯二胺复合材料结构特征，阐明了多元金属/聚芳香胺材料结构的As(III)形态控制/吸附效应；. （4）揭示了溶液电位调控/铜离子诱导强化间苯二胺单体转化的作用机制，得到一类新型聚间苯二胺等高效清洁合成方法，其中聚间苯二胺的单体转化率达到90%以上，远高于传统化学氧化法的75%。. （5）探索了聚间苯二胺纳米材料三维器件化材料构建的新方法，为拓展聚芳香胺材料的理论研究与技术应用提供了重要科学支撑。. 本项目通过四年研发工作，建立了一类可高效协同催化氧化/吸附As(III)的新技术原型，合成得到4种铜等金属掺杂的聚芳香胺/ Fe3O4复合材料，实现了水体中As(III)的原位氧化转化率58-95%，吸附量可达到50mg/g以上，远优于当前文献报道的大部分同类吸附材料；发表了9篇ESI论文，1篇ESI1%高被引，申请7项专利，授权6项，培养了2位博士、6位硕士等，相关成果丰富拓展废水体系中砷污染物高效净化的基础理论及应用技术原型，为进一步拓展强化吸附解毒分离水体中砷提供了新方法。