明膠復合材料的制備及其對重金屬離子的吸附應用研究.pdf

1、重金屬污染不僅呈現(xiàn)出長期性、累積性、潛伏性和不可逆性等特點，而且其危害極大、治理成本高。特別是近幾年來，重金屬污染事件呈多發(fā)態(tài)勢，對生態(tài)環(huán)境和人群健康構(gòu)成嚴重威脅。我國重金屬污染綜合防治的“十二五”、“十三五”規(guī)劃均指出，務必要抓好重金屬污染防治工作，維護群眾身體健康，促進社會和諧穩(wěn)定。目前，污水灌溉農(nóng)田帶來的農(nóng)產(chǎn)品重金屬殘留超標和飲用水中重金屬污染是人群暴露重金屬的主要途徑。開展污水和飲用水中重金屬離子的去除技術研究，對保護生態(tài)環(huán)境安

2、全和人民群眾健康具有重要的意義。
　　目前，重金屬污染治理技術主要包括化學吸附、化學沉淀、離子交換、氧化還原和生物修復等。其中化學吸附由于成本低廉、操作簡單、應用性強的優(yōu)勢，成為重金屬污染治理的首選方案之一。目前，各種納米碳材料、金屬氧化物、低成本廢棄物等吸附劑廣泛用于重金屬離子的吸附研究。然而，這些材料不僅吸附容量偏低，去除重金屬的效率較差，而且材料本身被證明具有一定的環(huán)境毒性，容易帶來二次污染。明膠是動物骨膠原蛋白的變性衍生物

3、，由1050個氨基酸組成的生物大分子，不僅對金屬離子具有較高的吸附能力，而且具有來源廣泛、可生物降解、生物相容性好和綠色環(huán)保等優(yōu)點?；诖?，本研究以污染較為普遍的鉛和鎘離子為研究對象，合成兩種明膠功能復合材料，實現(xiàn)污水和飲用水中重金屬離子的高效吸附，探索相應的吸附去除機理，為重金屬污染治理提供技術支持。具體研究工作如下：
　　第一部分：聚乙烯亞胺接枝明膠海綿的制備及其對重金屬離子的吸附研究
　　目的：針對農(nóng)田污水灌溉的特點，

4、合成聚乙烯亞胺接枝明膠海綿材料，并鋪設到農(nóng)田土壤表層。借助明膠海綿保水特性和表面豐富的活性基團，減緩污水抵達土壤的同時，完成聚乙烯亞胺接枝明膠海綿對重金屬離子的高效吸附，減小灌溉污水導致的土壤污染，降低重金屬離子在農(nóng)作物上的富集和對人群的健康危害。
　　方法：基于氨基和羧基的相互作用，利用3,3’-二硫代二丙酸將明膠海綿表面的氨基全部轉(zhuǎn)換為羧基，隨后將富含多個氨基的聚乙烯亞胺修飾在明膠海綿表面，實現(xiàn)氨基基團的級聯(lián)放大。詳細研究復合

5、材料的基團分布和吸附機理。隨后，將聚乙烯亞胺接枝明膠海綿鋪設在大蒜養(yǎng)殖土壤表層，模擬污水灌溉情況下，研究聚乙烯亞胺接枝明膠海綿復合材料在污水灌溉過程中去除重金屬離子的效果。
　　結(jié)果：掃描電鏡、紅外光譜、Zeta電位等表征結(jié)果表明：聚乙烯亞胺已經(jīng)成功修飾在明膠海綿表面。與未修飾的明膠海綿對比（吸附容量分別為19mg g-1和20mg g-1），聚乙烯亞胺接枝明膠海綿復合材料對Pb(II)和Cd(II)離子的吸附容量分別達到65mg

6、 g-1和66mg g-1，論證了氨基級聯(lián)放大效應對于吸附容量的增敏作用。由于明膠的保水特性，聚乙烯亞胺接枝明膠海綿與土壤接觸15min后，仍有55％的水保留在明膠材料內(nèi)部，為吸附劑和重金屬的相互作用提供時間，增強了重金屬離子的去除效果。模擬污水灌溉實驗結(jié)果表明：由于聚乙烯亞胺接枝明膠海綿的保護作用，Pb(II)和Cd(II)在大蒜葉子中的含量分別為5.69mg kg-1和1.59mg kg-1，遠低于未鋪設聚乙烯亞胺接枝明膠海綿的陽性

7、組（27.98mg kg-1和15.78mg kg-1），去除效率達到了79.7%和89.9%。
　　結(jié)論：聚乙烯亞胺接枝明膠海綿不僅對重金屬離子具有較高的吸附容量，而且具備良好的保水特性，能夠延緩污水抵達土壤的時間，增強吸附劑對重金屬離子的吸附效果，非常適合污水灌溉過程中重金屬離子的去除，對于降低土壤污染，避免農(nóng)作物中重金屬物富集對人群健康的影響，具有積極的意義。
　　第二部分：殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠的制備及其對重

8、金屬離子的吸附研究
　　目的：我國重金屬污染事故頻發(fā)，經(jīng)常出現(xiàn)飲用水重金屬污染的現(xiàn)象。然而，傳統(tǒng)吸附劑的吸附機理主要依賴于氨基的螯合作用，而氨基本身也是制備這些吸附劑的交聯(lián)基團，是維持其機械穩(wěn)定的關鍵。因而存在吸附容量和機械穩(wěn)定性不能兼容的弊端。因此，本研究開發(fā)了一種新型的酶交聯(lián)體系，能夠保留大量的氨基基團，并進一步接枝殼聚糖/聚乙烯亞胺陽離子材料，制備出綠色環(huán)保、高吸附容量的吸附劑，實現(xiàn)飲用水中低濃度重金屬離子的高效去除。

9、>　　方法：谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶具有底物選擇性，僅能夠催化明膠蛋白的賴氨酸殘基與谷氨酰胺殘基發(fā)生酰基轉(zhuǎn)移反應，而不影響其他的氨基酸殘基。因此，本研究首先制備出谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶交聯(lián)的磁性明膠，隨后將聚乙烯亞胺/殼聚糖陽離子復合物接枝在磁性明膠表面，實現(xiàn)氨基基團的級聯(lián)放大作用，制備出綠色環(huán)保的殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠材料，并詳細研究復合材料的基團分布和吸附機理。隨后，將聚乙烯亞胺/殼聚糖接枝磁性明膠用于飲用水中重金屬離子的吸附研究，探索pH值

10、、溫度、離子強度等因素對吸附容量的影響。
　　結(jié)果：由于酶具有底物專一性，交聯(lián)過程不會影響其他氨基酸殘基，因而谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶交聯(lián)磁性明膠的吸附容量要高于其他常規(guī)交聯(lián)劑制備材料的吸附容量，論證了酶交聯(lián)體系的優(yōu)越性。接枝聚乙烯亞胺/殼聚糖陽離子復合物后，復合材料對Pb(II)和Cd(II)離子的吸附量顯著提高，分別達到341mg g-1和321mg g-1，吸附過程符合Langmuir吸附等溫線和準二級吸附動力學方程，表示該吸附過程是