贻贝仿生超支化高分子絮凝剂的合成及其在制革污泥处理方面的应用基础研究

Polymer flocculation is a commonly-used means for treatment of leather sludge, but due to the simple polymer structure and single functionalization of the polymer flocculants, it often fails to achieve effective water separation and recycling from leather sludge and lacks the capacity of passivating and fixing the inhabited harmful toxic substances such as heavy metal including chromium. Our previous studies have shown that the key to achieve effective flocculation of such complicated industrial sludge is to ensure that the critical functional groups of the polymer flocculants can undergo stable and efficient adhesion with the sludge’s main solid ingredients. Recent researches have revealed that catechol group from mussel food proteins not only can form diverse stable adhesion interactions with all kinds of surfaces and molecules but also have strong coordination with most of heavy metal ions involved in leather sludge. In this project, by combining diverse and versatile mussel chemistry, we will develop a novel mussel-inspired hyperbranched polymer flocculant for treatment of leather sludge. We will systematically investigate the effect of hyperbranched polymer chemical structure, composition on flocculation/precipitation performance for leather sludge and passivation and fixation efficacy of harmful heavy metals such as chromium. The success of this project will provide new ideas and important scientific basis for the optimization and breakthrough of leather sludge treatment.

高分子絮凝沉降法是制革工业中常用的治理制革污泥的手段，但由于常用的高分子絮凝剂结构简单功能性单一，往往无法实现对制革污泥中水的有效分离回收利用及有害有毒物质如重金属特别是铬的钝化及固定处理。我们研究显示，实现高分子絮凝剂对这类污泥有效絮凝沉淀分离的关键是保证絮凝剂中的功能基团可以在使用过程下对污泥中的主要固体成分保持稳定牢度的粘附作用。近年来的研究发现贻贝足蛋白中儿茶酚基团可以与不同的表面或分子形成稳定牢度的粘附并且对大部分重金属离子如铬具备优异的螯合作用。本项目拟从制革污泥的本身特性出发，结合贻贝化学的非特异性粘接能力和重金属螯合能力，设计开发一种新型的制革污泥用的贻贝仿生超支化高分子絮凝剂，系统研究超支化高分子的化学结构、组成、用量对制革污泥的混凝沉淀效果及对制革污泥中有害重金属如铬的钝化及固定作用。该研究将为制革污泥处理方法的优化和突破提供新的思路和重要科学依据。

因皮革行业的飞速发展，每年产生的污泥量很大，约占全国污泥量的 1/10 ，这些污泥大多数仍处于无秩序处置状态，如不能得到及时有效的治理会对环境带来极大的危害。因此，设计和发展有效的制革污泥处理方法，实现皮革污泥的高效治理和预防至关重要， 对皮革工业的可持续发展具有重要意义。高分子絮凝沉降法是制革工业中常用的治理制革污泥的手段，但由于常用的高分子絮凝剂结构简单功能性单一，往往无法实现对制革污泥中水的有效分离回收利用及有害有毒物质如重金属特别是铬的钝化及固定处理。针对上述问题，该项目主要聚焦于设计及开发贻贝仿生高分子絮凝剂及功能纳米仿生材料，致力于研究开发的系列功能贻贝仿生材料在制革污泥污染问题的治理和解决等方向的应用基础研究，以贻贝化学及先进聚合方法为设计手段构筑系列功能高分子絮凝剂及纳米仿生材料；依托表面力仪（SFA）和原子力显微镜（AFM）等先进测力手段，揭示功能性高分子及纳米材料在复杂工业条件下与环境污染物之间的相互作用规律，开发环境污染处理用的系列新工艺、新方法，从而建立了系列处理工业废水及污泥用的新技术、新体系。在自然科学基金的资助下，该项目取得了系列有重要意义的研究成果，已在包括Journal of Materials Chemistry A、ACS Applied Materials and Interfaces、cellulose、Chemical Communications及Separation and purifications等国际材料类、化学类及环境类权威期刊杂志上发表SCI论文十几篇，研究成果对构建贻贝仿生絮凝剂及多功能纳米催化材料及探究在工业废水和污泥方面的应用具有积极的指导意义。