水污染的治理已经成为当今全球性问题,更是我国环境工作的当务之急。气凝胶,是目前已知的最轻的固体材料,被誉为21世纪的一种新型神奇材料。气凝胶拥有发达的孔道结构、低密度、大比表面、高孔隙率、低导热系数、高吸附性等优良特性,被广泛应用于药物输送、吸附分离、降噪吸声、保温隔热、催化降解和组织修复等领域。本文针对目前面临的严重的金属离子和染料污染问题,选取价廉易得、安全环保、可生物降解的微晶纤维素(MCC)和海藻酸钠(SA)两种生物质材料作为组分,设计制备集吸附和催化降解性能为一体的高强度、多功能、可再生的复合气凝胶材料。本文首先以流动性较强、比表面积较大的MCC为基材,硝酸铈铵为引发剂,自由基引发接枝单体2-氰基-3-乙氧基丙烯酸乙酯(EMCA);而后经胺肟化改性制得一种同时含有偕胺肟和羟胺肟功能基团的双胺肟微晶纤维素(Diamidoxime MCC,简称“DAO-MCC”)。批量吸附实验显示,DAO-MCC可通过配位作用实现对Cu2+、Pb2+、Cr3+和Cd2+的高效去除效果,且吸附过程遵循准二级动力学曲线和Langmuir等温模型,Langmuir最大吸附容量分别达到165、222.5、143.1和177.9 mg/g。与MCC相比,DAO-MCC对四种金属离子的吸附容量分别提高了4.2、5.5、6.7和7倍。再生性表明,经过5次连续的吸附-解吸循环后,DAO-MCC对四种金属离子的吸附容量均能保持86%以上,证明其高效、良性、可再生的吸附本质。为实现DAO-MCC的多功能性,以DAO-MCC为载体,根据氧化还原反应机理,在其表面原位反应得到负载均匀的生物质纳米复合材料DAO-MCC@MnO2。吸附结果显示,相比较于DAO-MCC,DAO-MCC@MnO2对四种金属离子的吸附容量分别增加30.5、29.7、28.6和37.3 mg/g。此外,初步降解实验表明,DAO-MCC@MnO2对染料等有机物具备一定的催化降解能力。总之,DAO-MCC@MnO2具备双胺肟功能基团的强吸附能力以及纳米MnO2的催化降解性能。以微米级DAO-MCC@MnO2为凝胶“框架”,并以SA分子链为柔性“粘合剂”,制备高强度、多功能、可再生的DAO-MCC@MnO2/SA(DMMS)复合气凝胶。该气凝胶具备开放的孔道、充分的活性基团和良好的结构稳定性。通过控制“框架”的添加量,能够调节DMMS气凝胶的分层网络结构、密度、孔隙率、机械强度和弹性恢复性。表征结果显示:DMMS-40水凝胶需要2 h左右达到完全凝胶化;密度和孔隙率分别为37 mg/cm3和91%;压缩强度和模量分别达到289和338 kPa,五次压缩后气凝胶仍能承受271.3 k Pa载荷。吸附结果显示,在金属离子的初始pH环境下,吸附进行120 min,DMMS-40气凝胶能够实现对各自的最大吸附容量。吸附过程符合准二级动力学曲线和Langmuir等温线模型,且对四种金属离子的Langmuir最大吸附容量分别达到219.8、325.9、214.7和275 mg/g,属于单分子层吸附模型。同等浓度下,四种金属离子的竞争吸附顺序为:Pb2+>Cd2+>Cu2+>Cr3+。吸附容量的来源一部分是由DAO-MCC@MnO2和SA两种组分各自的功能基团通过化学作用或静电相互作用产生;另一部分则要归功于两者构建的网络多孔气凝胶结构的物理吸附作用,这为污染物的自由扩散和传递提供良好的通道。经过5次再生循环后,DMMS气凝胶仍能维持原貌,且饱和吸附容量可保持原始值的78%以上,证明DMMS气凝胶是一种良性可循环使用的吸附材料。降解实验显示,DMMS-40气凝胶对MB、CR、MO和RhB四种染料均具有较好的降解效果。当pH=45,气凝胶加入量为90 mg,H2O2加入量为3 mL,60 min内对CR和MO可达到最大降解率,分别为90.2%和95.4%;120 min时MB和RhB的降解达到最高92.9%和88.4%。降解机理表明,DMMS气凝胶中的纳米MnO2首先通过催化H2O2分解为·OH、·O2-和·HO2自由基,这些自由基强大的氧化能力能够将染料分解成CO2,H2O或其他的小分子物质。经过5次循环降解后,DMMS气凝胶仍能维持MO降解率的81.9%,证明DMMS气凝胶可用于循环降解染料有机污染物。综上,DMMS气凝胶对重金属离子具有良好的吸附性,对染料具有优异的催化降解能力,且循环使用多次后气凝胶结构保持不变,证实其高强度、多功能、可再生的特性。因此,本论文研究成果对废水净化领域应用提供了理论依据和技术指导。