摘要
水体重金属因其高毒性、难降解性伴随生物链累积对人体健康构成威胁。在水体重金属污染治理方法中，吸附法是一种常见的水体重金属污染治理方法，它的优势包括易操作、经济实惠、对环境友好。被广泛应用于水体重金属污染处理。探索高效、新型的吸附材料并将其应用于水体重金属处理领域是学者研究的热点，水凝胶因为其独特的三维网络多孔结构在水中重金属的捕集和回收利用中得到了广泛的应用，海藻酸钠是一种天然阴离子聚合物，有来源广泛、成本低廉等优势，在水体重金属处理领域表现出极高的应用潜力。但是，单一海藻酸钠制备的水凝胶材料也存在力学性能较差、吸附容量较低、循环回收利用效果差等缺点。需要对其通过表面修饰、多元聚合物共混以及填充包埋等方式制备复合水凝胶材料强化其理化性质，从而提升其功能。 本研究针对海藻酸钠基水凝胶材料机械强度较弱，吸附容量有限等问题，首先对海藻酸钠水凝胶基体通过与高分子聚合物聚乙烯醇（PVA）多元共混进行了力学性能增强，并在强化力学性能后的复合水凝胶基体上通过原位生长的方法引入ZIF-9、ZIF-67等MOFs材料进行改性，制备海藻酸钠基复合水凝胶材料，并将制备的复合水凝胶材料应用于水体重金属去除研究；结合SEM、FTIR、XRD、BET、XPS等表征方式，研究制备的海藻酸钠复合水凝胶的特性以及其对重金属的吸附机理，主要研究内容如下： （1）针对海藻酸钠（SA）水凝胶材料机械强度低、吸附容量有限的问题，通过引入合成高分子材料聚乙烯醇（PVA）来增强其力学性能；利用单因素变量实验和响应面优化法确定力学性能最好的水凝胶配比，根据实验条件优化结果制备复合水凝胶材料，优化后材料的力学性能达到了0.58MPa，达到未优化材料力学性能的11倍，将优化制备的PVA/SA复合水凝胶材料应用于重金属离子Cu（Ⅱ）的吸附，应用扫描电子显微镜（SEM）、和X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外（FT-IR）等对合成的水凝胶球形貌特征及吸附机理进行表征研究；考察pH、等温吸附、吸附动力学以及对其他重金属离子吸附选择性和循环使用效果。对Cu(Ⅱ)吸附的最适pH条件为5.0，对Cu(Ⅱ)的最大吸附量为67.98mg/g，是普通SA水凝胶吸附量的1.7倍。等温吸附过程符合Freundlich等温模型，动力学实验结果遵循伪二阶动力学模型，对Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)都有吸附效果都较好，在特定领域废水的处理应用中具有较高潜力； （2）针对天然高分子凝胶材料力学性能差、吸附容量有限以及粉状MOF材料在实际应用中不便问题。采用原位生长法将沸石咪唑类金属有机框架材料(ZIF-9)负载在海藻酸钠/聚乙烯醇(PVA/SA)水凝胶上，制备了ZIF-9与聚合物复合的三维网状海藻酸钠基水凝胶材料，以SEM、FT-IR、XRD、BET和XPS等对合成的水凝胶材料进行了形貌表征及材料对Cu（Ⅱ）吸附机理研究。结果表明：制备的材料有明显的三维网状疏松结构，通过在水凝胶基体上引入ZIF-9，材料的比表面积由6.2481m2/g增加到70.1531m2/g，此过程有利于吸附过程进行；最佳吸附pH为5.0。吸附过程符合Freundlich等温线和伪二阶模型。实验最大吸附容量为98.98mg/g，是普通SA和PVA/SA水凝胶球的2.6倍和1.5倍。吸附热力学研究实验的结果表明PVA/SA@ZIF-9对Cu(Ⅱ)的吸附过程是一个吸热过程。同时，考察了材料对其他种类重金属离子的吸附效果，PVA/SA@ZIF-9材料对Pb(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)都有较好的吸附效果，在将其应用于以上废水的吸附应用有较好的应用潜力。重金属离子的混合二元溶液体系选择性吸附结果表明，材料在Cu(Ⅱ)/Mn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)/Ni(Ⅱ)体系中，材料对Cu(Ⅱ)的吸附能力并没有因其他离子的加入而显著降低。PVA/SA@ZIF-9在经过8次循环使用后材料表现出良好的机械稳定性和回收能力。 （3）针对ZIF-9比表面积小，与PVA/SA共混改性后，海藻酸钠基复合水凝胶材料对重金属的吸附容量较小等问题，进一步采用原位生长法将比表面积更为优越的金属有机框架材料(ZIF-67)负载在海藻酸钠/聚乙烯醇(PVA/SA)水凝胶上，制备的PVA/SA@ZIF-67比表面积和吸附容量显著提升由6.2481m2/g增加到613.7m2/g，同时，吸附实验中实验对Cu（Ⅱ）最大吸附容量为128.4mg/g，是普通SA和PVA/SA水凝胶球的3.3倍和1.8倍。利用FT-IR、SEM、XRD、XPS等对合成的水凝胶球进行了表征，并研究了所制备的材料对Cu（Ⅱ）吸附机理。结果表明：Cu(Ⅱ)的最佳吸附工艺pH为5.0。吸附动力学和等温线表明，吸附过程符合Freundlich等温线和伪二阶模型。选择性实验结果表明，PVA/SA@ZIF-67具有较好的吸附性能(特别是对Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)的吸附)，表明应用于一些特定废水处理领域时具有一定潜力。从外，材料在循环吸附过程中表现出优异的机械稳定性和回收能力。
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