重金属污染不仅呈现出长期性、累积性、潜伏性和不可逆性等特点,而且其危害极大、治理成本高。特别是近几年来,重金属污染事件呈多发态势,对生态环境和人群健康构成严重威胁。我国重金属污染综合防治的“十二五”、“十三五”规划均指出,务必要抓好重金属污染防治工作,维护群众身体健康,促进社会和谐稳定。目前,污水灌溉农田带来的农产品重金属残留超标和饮用水中重金属污染是人群暴露重金属的主要途径。开展污水和饮用水中重金属离子的去除技术研究,对保护生态环境安全和人民群众健康具有重要的意义。目前,重金属污染治理技术主要包括化学吸附、化学沉淀、离子交换、氧化还原和生物修复等。其中化学吸附由于成本低廉、操作简单、应用性强的优势,成为重金属污染治理的首选方案之一。目前,各种纳米碳材料、金属氧化物、低成本废弃物等吸附剂广泛用于重金属离子的吸附研究。然而,这些材料不仅吸附容量偏低,去除重金属的效率较差,而且材料本身被证明具有一定的环境毒性,容易带来二次污染。明胶是动物骨胶原蛋白的变性衍生物,由1050个氨基酸组成的生物大分子,不仅对金属离子具有较高的吸附能力,而且具有来源广泛、可生物降解、生物相容性好和绿色环保等优点。基于此,本研究以污染较为普遍的铅和镉离子为研究对象,合成两种明胶功能复合材料,实现污水和饮用水中重金属离子的高效吸附,探索相应的吸附去除机理,为重金属污染治理提供技术支持。具体研究工作如下:第一部分:聚乙烯亚胺接枝明胶海绵的制备及其对重金属离子的吸附研究目的:针对农田污水灌溉的特点,合成聚乙烯亚胺接枝明胶海绵材料,并铺设到农田土壤表层。借助明胶海绵保水特性和表面丰富的活性基团,减缓污水抵达土壤的同时,完成聚乙烯亚胺接枝明胶海绵对重金属离子的高效吸附,减小灌溉污水导致的土壤污染,降低重金属离子在农作物上的富集和对人群的健康危害。方法:基于氨基和羧基的相互作用,利用3,3’-二硫代二丙酸将明胶海绵表面的氨基全部转换为羧基,随后将富含多个氨基的聚乙烯亚胺修饰在明胶海绵表面,实现氨基基团的级联放大。详细研究复合材料的基团分布和吸附机理。随后,将聚乙烯亚胺接枝明胶海绵铺设在大蒜养殖土壤表层,模拟污水灌溉情况下,研究聚乙烯亚胺接枝明胶海绵复合材料在污水灌溉过程中去除重金属离子的效果。结果:扫描电镜、红外光谱、Zeta电位等表征结果表明:聚乙烯亚胺已经成功修饰在明胶海绵表面。与未修饰的明胶海绵对比(吸附容量分别为19 mg g-1和20 mg g-1),聚乙烯亚胺接枝明胶海绵复合材料对Pb(II)和Cd(II)离子的吸附容量分别达到65 mg g-1和66 mg g-1,论证了氨基级联放大效应对于吸附容量的增敏作用。由于明胶的保水特性,聚乙烯亚胺接枝明胶海绵与土壤接触15 min后,仍有55%的水保留在明胶材料内部,为吸附剂和重金属的相互作用提供时间,增强了重金属离子的去除效果。模拟污水灌溉实验结果表明:由于聚乙烯亚胺接枝明胶海绵的保护作用,Pb(II)和Cd(II)在大蒜叶子中的含量分别为5.69 mg kg-1和1.59 mg kg-1,远低于未铺设聚乙烯亚胺接枝明胶海绵的阳性组(27.98mg kg-1和15.78 mg kg-1),去除效率达到了79.7%和89.9%。结论:聚乙烯亚胺接枝明胶海绵不仅对重金属离子具有较高的吸附容量,而且具备良好的保水特性,能够延缓污水抵达土壤的时间,增强吸附剂对重金属离子的吸附效果,非常适合污水灌溉过程中重金属离子的去除,对于降低土壤污染,避免农作物中重金属物富集对人群健康的影响,具有积极的意义。第二部分:壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶的制备及其对重金属离子的吸附研究目的:我国重金属污染事故频发,经常出现饮用水重金属污染的现象。然而,传统吸附剂的吸附机理主要依赖于氨基的螯合作用,而氨基本身也是制备这些吸附剂的交联基团,是维持其机械稳定的关键。因而存在吸附容量和机械稳定性不能兼容的弊端。因此,本研究开发了一种新型的酶交联体系,能够保留大量的氨基基团,并进一步接枝壳聚糖/聚乙烯亚胺阳离子材料,制备出绿色环保、高吸附容量的吸附剂,实现饮用水中低浓度重金属离子的高效去除。方法:谷氨酰胺转移酶具有底物选择性,仅能够催化明胶蛋白的赖氨酸残基与谷氨酰胺残基发生酰基转移反应,而不影响其他的氨基酸残基。因此,本研究首先制备出谷氨酰胺转移酶交联的磁性明胶,随后将聚乙烯亚胺/壳聚糖阳离子复合物接枝在磁性明胶表面,实现氨基基团的级联放大作用,制备出绿色环保的壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶材料,并详细研究复合材料的基团分布和吸附机理。随后,将聚乙烯亚胺/壳聚糖接枝磁性明胶用于饮用水中重金属离子的吸附研究,探索p H值、温度、离子强度等因素对吸附容量的影响。结果:由于酶具有底物专一性,交联过程不会影响其他氨基酸残基,因而谷氨酰胺转移酶交联磁性明胶的吸附容量要高于其他常规交联剂制备材料的吸附容量,论证了酶交联体系的优越性。接枝聚乙烯亚胺/壳聚糖阳离子复合物后,复合材料对Pb(II)和Cd(II)离子的吸附量显著提高,分别达到341 mg g-1和321 mg g-1,吸附过程符合Langmuir吸附等温线和准二级吸附动力学方程,表示该吸附过程是一种单层吸附。饮用水净化结果表明,10 mg的复合材料可以净化0.8 L含有Pb(II)离子或0.4 L富含Cd(II)离子的饮用水,能够使出水水质达到WHO的要求。结论:本研究提出了一种新型酶交联策略,解决了传统吸附剂的氨基基团既作为识别位点,又作为交联位点的弊端,制备出了一种吸附容量高、绿色环保、磁性响应高的壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶复合材料,能够用于饮用水中重金属离子的高效去除,对应对突发重污染事件提供一种技术支持。