随着工业化与城镇化的进程不断加快,高污染物排放与低资源利用率,使环境风险急剧增大,人们的生存环境正受到严重威胁。比如含镉、铅、铬等元素的废水大量排放,有毒重金属污染给生态系统和人类健康带来了日益严重的危害。目前,重金属污染的主要来源为工业排放,因此排放废水中重金属离子浓度必须严格限制。对于重金属排放处理,吸附技术被认为是一个最有效的处理手段,然而传统的吸附材料或多或少存在缺陷。为此,对高性能吸附材料进行了大量的研究,尽管在一定程度上提高了吸附性能,然而对于实际应用仍存在问题:(1)较慢的吸附速率,(2)吸附性能的损失,(3)难以回收。对于颗粒状的吸附剂,较慢的内孔扩散限制了其快速吸附,此外内部结构的堆叠填埋使其吸附容量降低。虽然纳米吸附材料具有较快的吸附速率和较高的吸附容量,但难以分离,而且非有效的分离会增加操作成本以及引起二次污染。本论文以重金属的富集、去除为目的,合成了几种新型的凝胶吸附材料,并对其吸附性能展开了详细深入的研究。主要进行了以下几个方面的工作:(1)通过一步溶胶凝胶法制备出一种海绵体的聚硅氧烷-氧化石墨烯(PS-GO)气凝胶吸附材料。聚硅氧烷颗粒的粒径约为5μm,并成功与石墨烯形成互穿网络结构。通过对废水中Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)的吸附实验表明:该PS-GO凝胶对Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)的理论最大吸附量高达256和137 mg/g,此外该凝胶还表现出良好的机械性能和再生能力,可多次重复使用。在静态吸附实验中,PS-GO凝胶经过5次循环使用后,对工业废水中的Pb(Ⅱ)仍具有良好的处理能力,Pb(Ⅱ)的浓度从3.225 mg/L下降到了0.01 mg/L以下,去除率高达99%以上。在动态吸附实验中,将PS-GO凝胶填充于填充柱内进行吸附,在达到1%透过曲线前,填充柱对废水中Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)的处理能力分别为720和480 BV,而且每个周期仅需11.3 m L的洗脱液进行再生,实现了原位吸附和再生,且产生的淤泥量几乎为零。(2)采用一种简单的自由基聚合的方法,巧妙的设计出一种聚两性电解质(PP-GO)水凝胶。由于PP-GO凝胶具有优秀的机械性能,在水中具有很好的稳定性,该凝胶能快速的分离,并易再生,能多次重复使用。由于修饰了三乙烯四氨,PP-GO凝胶上拥有大量的活性基团,对Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)的理论最大吸附量分别为216.1 mg/g和153.8 mg/g。此外由于PP-GO凝胶的三维网络结构以及较大的渗透性,使其重金属离子极易扩散到吸附剂内部,表现出较快的吸附速率,在30分钟便能达到吸附平衡,且在较宽的p H范围内(3~6)保持较好的吸附效果。通过填充柱吸附实验表明,PP-GO凝胶对实际工业废水中的Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)具有较好的去除能力,其填充柱出口处排放浓度满足排放标准。当采用一个填充柱时,Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的处理量分别为684 BV和200 BV。通过三个填充柱串联操作,Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的处理量可高达2772 BV和750 BV,且只需要12 BV的洗脱液便能完全解吸。当实际工业废水处理量控制在624 BV时,废水中所有的金属离子均能有效的去除(浓度低于0.01 mg/L)。(3)通过廉价的淀粉、丙烯酸和三乙烯四氨作为原料,设计并制备出一种双网络凝胶吸附剂,用于废水中Cd(Ⅱ)离子的去除。通过吸附实验表明凝胶吸附剂能在较宽的p H范围(2.5~7.0)范围内进行有效的吸附。由于水凝胶具有优异的渗透性,Cd(Ⅱ)离子能快速扩散进入到凝胶的内部。在Cd(Ⅱ)离子浓度高达120 mg/L,吸附剂用量为1g/L时,吸附过程也能在45分钟内实现完全吸附。此外,由于活性位点的完全暴露,使凝胶对Cd(Ⅱ)具有非常高的吸附容量,其理论最大吸附量高达256 mg/g,且在Cd(Ⅱ)离子浓度低于180 mg/L时,仅为1 g/L的吸附剂用量便能达到完全吸附。在实际工业废水吸附实验中,当凝胶用量为4 g/L时,除了少量的锌离子,其余均能完全去除。在填充柱实验中,即便Cd(Ⅱ)离子浓度高达200mg/L,在达到1%透过曲线时,其处理量高达2400 BV,而仅仅需要48 BV的洗脱液。(4)采用了黄麻和丙烯酸通过简单的方法制备出了一种双网络凝胶。相比块状堆叠结构的黄麻,Jute/PAA凝胶表现出三维多孔网络结构。对Jute/PAA凝胶和黄麻吸附废水中Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)进行了研究,并考察了该凝胶在水中的稳定性。发现Jute/PAA凝胶使用p H范围大于黄麻,并表现出优异的抗离子干扰能力。吸附速率同样快于黄麻,仅需10分钟便能达到吸附平衡。此外Jute/PAA凝胶在303 K下对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的最大吸附量为508 mg/g和380 mg/g,远高于黄麻77.1 mg/g和62.5 mg/g的吸附量。对于初始浓度高达400 mg/L的溶液,经过五次次循环吸附后,Jute/PAA凝胶仍旧表现出稳定的吸附。