重金属工业污水的排放对环境造成巨大威胁,水体污染日益严重。由于不能被生物降解,重金属通过富集进入生物体内将具有极大的毒性。在当前众多水处理技术中,吸附法因为操作简单、占地面积小、本身无毒害等优点被认为是一种极具潜力的废水处理方法,而目前制约吸附法在水处理方面广泛应用的主要原因是吸附材料的成本较高,应用形式存在不足。因此,研究和开发廉价、高效的吸附材料是当前废水处理领域的重要方向。作为环境吸附材料,粘土矿物可利用性在于：自然界储量丰富、来源广泛、价格低廉,亦因其具有表面荷电、结构通道和高比表面积等特性,对废水中的污染物具有吸附性。尽管如此,粘土矿物本身的吸附性能距离工业化使用,还有相当大的差距,因而,通过改性技术强化其吸附性和选择性是必要的手段。通过结合粘土矿物本身的结构特点和水体中污染物种类,针对性的设计改性路线,制备出聚合物有机功能化改性的矿物复合吸附剂,将能有效实现吸附性能的提升和应用形式的改进,更利于工业化应用。本文选取了几种具有代表性的典型粘土矿物,根据其各自的结构特点设计了三种不同的有机功能化改性路线,并对合成的复合材料的重金属吸附性能进行了系统评价。具体的设计思路与创新点如下：(1)高岭石接枝聚丙烯酸复合吸附剂(KLN-PAA)高岭石具有TO型层状结构,其晶体结构中羟基铝面与断面含有丰富的羟基,选取带有羧酸官能团的聚丙烯酸(PAA)大分子,利用Lewis酸(如A13+)的催化作用,直接在常温下实现固液界面异相的酯化反应,使PAA与高岭石表面以酯键键合,从而在高岭石表面轻度接枝“绒毛状”PAA刷功能层。本方法的创新点在于实现了矿物基材表面常温下"grafting to"一步接枝功能大分子,具有条件温和,反应快速,能耗低,过程简易的特点,并保持了矿物原有的体型与强度；未参与反应的改性剂(PAA)和催化剂(A13+)可被回收再利用。(2)蒙脱石交联复合凝胶吸附剂(Na-MMT/PAAm-PAA)蒙脱石具有TOT型层状结构,晶体片层之间结合力较弱,层面带有永久负电荷,在水中可剥离重排成“卡片宫”结构。以此为框架,加入丙烯酰胺单体原位聚合制备出力学性能优秀的复合水凝胶,以添加第二单体丙烯酸共聚的方法实现吸附性的提升。最后采用反向悬浮聚合实现了复合凝胶微球的制备。本方法的创新性在于蒙脱石片层面与聚丙烯酰胺(PAAm)链上的酰胺基产生氢键、电荷吸引和配位作用,使PAAm分子链间形成了无机交联,与化学交联凝胶相比,复合凝胶具有高韧性,耐压性能好和超高拉长率等力学特点；设计的复合凝胶微球可应用于动态吸附柱,克服了传统树脂易碎裂的缺陷。(3)聚吡咯包覆海泡石可漂浮磁性复合吸附剂(MSEP/PPy)海泡石为TOT型链层状结构矿物,微观上表现为纤维状形态,具有突出的比表面积。利用其天然体型,通过预先负载磁颗粒的方式获得磁性,再在其表面采用氧化聚合包覆一层聚吡咯功能层,并同步掺杂十二烷基硫酸钠(SDS)实现疏水表面,得到了一种可漂浮的磁性阴离子交换复合吸附剂。本方法的创新性在于以海泡石纤维为模板,得到的核壳型复合材料,继承了海泡石的大比表面,吸附性强,而且首次使吸附材料在具备磁性的同时实现了可漂浮性,可通过简单的磁场从水体表面直接回收,克服了粉末吸附剂仅磁性化改造仍然面临沉入水底,难以应用于大型开放性水域的缺陷。本论文主要得到以下结论：(1)制备条件单因素实验显示：当聚合物PAA浓度为10%、催化剂添加量为2.0 g/L时,KLN-PAA性能最优,最优化吸附量可达至Cu2+:27.14 mg/g,Zn2+: 19.68 mg/g, Ni2+:17.84 g/g；蒙脱石含量为2%,丙烯酰胺含量为20%,丙烯酸含量为4%可获得溶胀性、力学强度与吸附性能比较均衡的凝胶吸附剂,在此配比下采用反向悬浮法制备复合凝胶微球,条件为：油水比为3：1,分散剂(司班60/吐温80,5：1)添加量为2%,搅拌转速为200r/min;复合凝胶切片(CG-sheet)与复合凝胶球(CG-sphere)两种体型下的Cu2+吸附量分别可以达到41.21mg/g和105.65 mg/g；在吡咯单体浓度为5%,氧化剂Fe3+浓度0.2 mol/L,聚合时间为120min时制备的MSEP/PPy具有更好的吸附性能,优化后的Cr(VI)吸附量可达到95.33 mg/g。(2)静态吸附实验讨论了不同吸附剂用量、干扰离子、溶液pH和初始浓度、吸附时间、吸附温度等对三种吸附剂附重金属离子性能的影响。结果表明,随着吸附剂投加量的增加,重金属离子去除率上升,当达到平衡去除率时,吸附剂的单位吸附量出现明显的下降；并且吸附剂对不同重金属离子的吸附效果存在差别,KLN-PAA对Cu2+、Zn2+、Ni2+的最大吸附量可分别达到27.25,29.86,32.45mg/g；而复合凝胶Na-MMT/PAAm-PAA对不同单一重金属离子或者混合离子的选择性吸附顺序都遵循：Pb2+>Cu2+>Cd2+>Zn2+>Ni2+.pH的上升有利于KLN-PAA与Na-MMT/PAAm-PAA对重金属阳离子的吸附,在pH=6时达到最大吸附值,但是对于吸附以阴离子形式存在的重铬酸根离子,pH的影响趋势刚好相反,在酸性条件下(pH=2)吸附性能最好。溶液中的共存离子对目标离子的吸附不利,而且不同的离子影响程度不同,其中Ca2+对金属阳离子的吸附影响最大,5042-对阴离子铬酸根吸附影响程度最高,并随着浓度的升高,影响程度呈上升的态势。随着吸附时间的延长,吸附剂对重金属离子的吸附量逐渐上升直到达到平衡,初始浓度越低,吸附达到平衡的时间更短,但是平衡吸附量也相对较低。特别地,可以发现在相同浓度下,CG-sphere实现吸附平衡所需的时间(2 h)大大快于CG-sheet (12h),而且达到的吸附量也更大,说明复合凝胶吸附剂的形态对吸附性能也有较大影响。吸附剂对重金属离子的吸附量随着溶液初始浓度的增加而加大,直到达到饱和吸附量,继续增加浓度,吸附量不再升高,然而温度的升高有利于提高材料的吸附容量。而且CG-sphere的动态吸附应用也被测试了,结果显示减小进口溶液浓度或者流速有利于推迟吸附床层的穿透点和耗竭点。(3)实验数据的动力学、等温线和热力学模型拟合分析结果显示：三种吸附剂对重金属离子的吸附过程均符合拟二阶动力学模型,而且初始浓度越高,吸附初始速率越快,达到的平衡吸附量也越高。内扩散模型拟合结果显示吸附过程由外层表面扩散和内部扩散两个阶段组成,前者完成的时间快,吸附量上升幅度大,而紧接着的内扩散阶段吸附量的上升速率开始减缓,达到平衡吸附所需时间相对较长。根据等温线模型研究结果,在298.15,308.15和318.15 K三个不同的温度下,三种吸附剂对重金属离子的吸附数据均符合Langmuir等温吸附模型,说明吸附位点均匀分布在材料表面,重金属离子以单层吸附为主。热力学研究结果表明,吸附剂对重金属离子吸附过程的△G0值均小于零并随着温度的升高而减小,说明三种吸附材料对重金属离子的吸附都是自发的不可逆过程,而且在高温下更利于吸附；同时△H0和△S0均为正值,说明吸附作用是吸热过程,在吸附过程中,固液界面的混乱度在增加。(4)再生实验研究表明：KLN-PAA吸附剂在脱附液HC1浓度为0.2 mol/L,脱附时间为6h时再生效果最好。前三次连续再生对吸附性能影响不大,之后吸附量开始出现显著下降,经过6次再生后,KLN-PAA 对 Cu2+, Zn2+, Ni2+的吸附量分别下降了53.3%,55.8%和46.2%；对复合凝胶片(CG-sheet)和复合凝胶球(CG-sphere)而言,脱附液EDTA的再生效果比HC1溶液更优,在浓度为0.05 mol/L,脱附时间分别为1.5 h和2 min时能达到最优脱发效果。相对而言,复合凝胶球的脱附再生的更彻底,性能更稳定,6次的连续再生实验显示复合凝胶球(CG-sphere)的吸附量下降了22.62%,小于复合凝胶片(CG-she et)的27.57%。对聚吡咯改性磁性吸附剂MSEP/PPy进行了四次连续脱附再生,结果显示四次的脱附率均不足25%,但是吸附剂仍然保持良好的吸附性能,这说明有其他反应发生在吸附剂表面。根据XPS分析,被吸附的六价Cr(Ⅵ)在 MSEP/PPy表面被还原成了三价Cr(Ⅲ)。(5)对三种吸附剂吸附重金属离子的吸附机制分析表明：KLN-PAA对金属离子的吸附包括静电吸引,离子交换与配位作用,首先溶液中的重金属离子被KLN-PAA带有负电性的表面静电吸引并与羧基上的正电离子发生交换,进而与羧基基团形成单齿或双齿配位,达到去除重金属离子的目的。复合凝胶吸附剂分子网络中包括了羧基与氨基基团,重金属离子扩散到材料表面,除了会与羧酸基团发生离子交换与配位,氨基官能团上N的孤对电子也能与重金属离子中空轨道形成配位键。有趣的是,被吸附的重金属离子与分子网络形成了多点配位螯合,又起到了离子型交联剂的作用,强化了凝胶应用的稳定性。而在酸性条件下,MSEP/PPy表面带有正电性,对重铬酸根离子产生吸引,随后Cr(Ⅵ)与聚吡咯框架中的C1-发生离子交换被吸附。另外,在聚吡咯表面还发生了还原反应将部分的六价Cr(Ⅵ)离子还原成了三价Cr(Ⅲ)。本论文目的为制备和开发廉价、高效,易于工业化应用的吸附材料；为粘土矿物的作为环境吸附材料的有机功能化改性思路提供参考。