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随着世界人口的剧增和工业的迅速发展,水环境污染已经成为一个严重的问题,特别是重金属污染尤为严重。由于重金属离子难降解、可在生物体内积累、可通过生物链传递,所以重金属离子污染已经严重威胁到水生生态系统和其他生物系统以及人类生命安全。吸附法因设备简单、运行费用低、处理效果好等优点一直是废水处理研究的热点,开发高效、廉价、环境友好的吸附剂备受关注。小麦秸秆是我国主要农业废弃物之一,其产量巨大。然而很大一部分小麦秸秆被直接焚烧或者废弃,既造成了资源的浪费,又污染了环境。因此,探索有效的秸杆的资源化利用途径具有十分重要的意义。如果能把成本低廉的小麦秸秆,通过适当的化学改性,研制成性能良好的吸附剂,既为水体重金属污染提供廉价、高效、环境友好的吸附剂,又为小麦秸秆的综合利用开辟了一条新途径。近年来,许多学者对农业废弃物进行改性研究,制得高效廉价的吸附剂,取得了一定的成果。然而,大多数秸秆的改性都是链接同一类活性基团,只能吸附阳离子或者阴离子。但污水成分十分复杂,多含有不同电性的重金属离子,载有单一活性基团的吸附剂很难得到满意的处理效果。有少数学者合成了两性秸秆吸附剂用于污水的处理,取得了较好的效果。然而,这些两性吸附剂多数都是通过单链的阴离子(简单的季铵盐)和单链的阳离子(氯乙酸)链接在秸秆上。只有当活性基团位置合适的时候,才能很好的对重金属离子进行吸附。我们设想,如果能够将具有“钳形”结构的活性基团链接到生物质上,由于“钳形”结构可以更牢固的“抓取”水体中金属离子,这种吸附剂将会更有利于处理污染水体。基于此研究思路,本研究设计合成了1种“钳形”阳离子试剂(IA)和1种“钳形”阴离子试剂(IM),并将其连接到小麦秸秆上,制成了阳离子吸附剂WS-IA、阴离子吸附剂WS-IM和两性吸附剂WS-IAIM;随后,提取出小麦秸秆的纤维素(WSC),以此为材料制备了两性纤维素水凝胶WSC-IAIM-ECH;研究了这4种吸附材料对水体中Pb(Ⅱ)和As(Ⅴ)的吸附性能,主要结论如下:(1)通过单因素和响应面试验得到:WS-IA的最佳合成条件为NaOH 11.4 mL g-1、反应温度82.3°C、反应时间7.5 h、IA 0.4 g g-1,在此条件下WS-IA对Pb(Ⅱ)的实际值吸附量为160.85±6.82 mg g-1,与预测值169.37 mg g-1接近。WS-IM的最佳合成条件为NaOH5.6 mL g-1、反应温度62.4°C、反应时间5.7 h、IM 0.32 g g-1。该条件下,WS-IM对As(Ⅴ)的实际吸附量为27.13±0.87 mg g-1,与预测值(26.41 mg g-1)相当;WS-IAIM的最佳合成条件。在最佳合成条件下:NaOH用量7 mL g-1、反应温度64°C、反应时间6 h、IA用量0.33 g g-1的条件下。三种吸附剂的实际吸附量和与测试无显著性差异,说明我们获得的吸附剂制备条件和吸附能力的量化模型准确可靠。另外,以小麦秸秆纤维素(WSC)为原料,NaOH-尿素体系为溶剂,IA/IM为离子型改性剂,ECH作为交联剂,一锅法成功合成两性纤维素水凝胶WSC-IAIM-ECH。(2)利用扫描电镜(SEM)、Zeta表面电位、红外光谱(IR)和X射线光电子能谱(XPS)技术,对合成的4种吸附材料进行了表征,确证了所得材料的结构的正确性。结果表明IA是以羧酸钠的形式链接在吸附剂上,IM是以氯盐的形式和吸附剂相连。(3)WS-IA、WS-IM、WS-IAIM和WS-IAIM-ECH对溶液中Pb(Ⅱ)和As(Ⅴ)的吸附量随着吸附剂用量的增加、温度的升高、吸附时间的延长而增大。4种吸附剂对Pb(Ⅱ)的吸附量随着溶液pH值的增加而增大;相反,对As(Ⅴ)的吸附随着pH值的增大而减少。吸附等温线研究表明,4种吸附剂对溶液中Pb(Ⅱ)和As(Ⅴ)吸附均符合Langmuir吸附等温线方程。其中,WS-IA、WS-IAIM和WSC-IAIM-ECH对Pb(Ⅱ)的理论最大饱和吸附量分别为180.48 mg g-1、180.12 mg g-1和835.26 mg g-1;WS-IM、WS-IAIM和WSC-IAIM-ECH对As(Ⅴ)的论最大饱和吸附量分别为28.36 mg g-1、27.48mg g-1和88.35mg g-1。吸附热力学参数表明,该吸附是一个自发的吸热过程。吸附动力学研究发现,该吸附符合伪二级动力学模型,说明吸附过程是一个化学吸附过程。结合表征实验结果,我们推测这4种吸附Pb(Ⅱ)和As(Ⅴ)的吸附主要是一个离子交换过程。另外,重复使用实验结果表明,这4种吸附剂使用5次后,吸附能力仍然可以保持在80%以上,证明它们的稳定好,可多次回收使用。