一种胶原吸附材料及其应用
技术领域
本发明涉及污水处理领域,尤其是一种胶原吸附材料及其应用。
背景技术
全世界每年在工业和农业生产过程中,排放的As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Se、V、Zn等有毒金属已达到400万吨,且主要以离子态随污水排放,由于重金属离子污染所产生的污水已占行业污染水量的第三位。由于重金属离子污染源分布广泛,污水中重金属离子种类多,其危害极大。未经处理达标的含重金属离子的污水排入河道、池塘、地下后,会严重污染饮用水和工业用水,同时,还会严重影响土壤的循环利用。
目前,在污水处理领域,主要采用膜法工艺处理污水。膜法工艺工业应用较为成熟,但其使用条件相对苛刻,如果进水水质达不到标准,则需要进行严格的预处理。而对污水中重金属离子的去除,是膜法工艺预处理的关键。
污水中重金属离子的去除方法,主要有化学法、物理法、物化法、生物法。其中,生物吸附方法是最常见的金属去除方法,其具有原料来源广,可塑性强的特点。寻找一种合适的生物吸附材料,从而达到经济和效率的协调,这也成为目前研究的重点。
胶原纤维呈纤维状,其独特的化学结构使其本身具有一定的强度,且具有不溶于水却亲水的独特特性。皮胶原纤维主要应用于制革领域,但其用量仅为资源总量的一半,同时,在制革过程中会产生大量富含胶原纤维的废渣。因此,皮胶原纤维具有来源广泛,价廉易得的优点,同时,其具有可再生,可降解的特性,对环境友好。
仅以2006年计,全国产2亿张计算,制革过程中产生的蓝湿革约为数十万吨。如果不对蓝湿革进行合理利用,而直接掩埋或者焚烧,将会对环境造成严重的污染。
发明内容
本发明的发明目的在于:针对上述存在的问题,提供一种胶原吸附材料及其应用,本发明采用蓝湿革皮屑作为原料,制成胶原吸附材料,变“废”为“宝”,从而达到“以废治废”的目的。本发明的胶原吸附材料能够对铁、铬等金属离子进行吸附,从而有效降低废水中的重金属离子含量。
本发明采用的技术方案如下:
一种胶原吸附材料,包括如下重量份的组分:蓝湿革100-200份,有机鞣剂2.5-5份,植物鞣剂2-5份,辅助酸以溶质计0.1-1份;
所述植物鞣剂为荆树皮栲胶和杨梅栲胶中的一种或两种;
所述辅助酸为硫酸、甲酸、草酸中的一种或多种;
所述有机鞣剂通过如下方法制备而成:
在惰性气体保护下,将戊二醛水溶液和甲醛水溶液在pH=7.5~9的条件下于80~100℃回流0.5~2h即得;
所述戊二醛水溶液和甲醛水溶液以溶质计重量份数比为:5:9~10:9。
所述胶原吸附材料的收缩温度为70-115℃。
所述蓝湿革皮屑的粒径为100-300μm。
所述有机鞣剂制备时的pH值为7.5,温度为90℃,回流时间为1h。
所述胶原吸附材料通过如下方法制备而成:
(1)处理蓝湿革:对蓝湿革皮屑进行清洗、脱脂,再向其中加入碳酸钠和碳酸氢钠缓冲溶液调节pH值至5~6.5;
(2)植物鞣剂处理:按配比称取各组分,将步骤(1)处理后的蓝湿革加入植物鞣剂水溶液中,震荡反应2~4h;
(3)辅助酸处理:加入辅助酸调节pH值至3~4,震荡反应1~2h;
(4)有机鞣剂处理:加入碳酸钠和碳酸氢钠缓冲溶液调节pH值至7.5-8.5,再加入有机鞣剂,震荡反应0.5-1h后,静置8~20h,过滤洗涤即得产品。
所述步骤(1)中,调节pH值至5.8~6.2。
所述步骤(2)中,震荡反应3h。
所述步骤(3)中,调节pH值至3.3,震荡反应1.5h。
所述步骤(4)中,加入缓冲溶液调节pH值至7.8-8.3,震荡反应0.5-1h后,静置12h。
所述胶原吸附材料的应用,将胶原吸附材料用于吸附重金属离子。
在制革工艺中,皮革鞣制后,蓝湿皮削匀段会产生大量的皮屑,本发明对其进行回收利用,能够有效节约资源,减少环境污染。
本发明的步骤(1),通过对蓝湿革皮屑进行清洗、脱脂、缓冲液处理,能够有效去除胶原纤维残留的间质和油脂。同时,本发明选择粒径为100-300μm的蓝湿革皮屑有利于后续处理。在制备过程中,首先按配比称取各组分,再通过植物鞣剂、辅助酸、有机鞣剂对蓝湿革进行处理,在反应过程中,一直采用震荡反应,其可以使物质更好地进入胶原纤维。同时,本发明通过调节pH,活化鞣剂官能团,在静置的条件下,让鞣剂缓慢地接在胶原上,其有利于反应均匀而稳定。
本发明的胶原吸附材料能够有效吸附重金属离子,其中,对铁、铬金属离子具有较强的吸附容量,对于铜、铝等其他金属离子也具有较好的吸附能力。通过调整金属离子的固载量和种类实现对吸附容量的调控,该吸附材料吸附速度快,能够满足后续污水处理要求。本发明的胶原吸附材料能够用于电镀废水、线路板废水、钢铁清洗废水等含有重金属离子废水的预处理,从而能够满足后续污水处理的要求。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
1、本发明能能够为对污水中的金属离子进行有效去除,从而满足后续污水处理要求;
2、本发明的胶原吸附材料对金属离子具有较强的吸附能力,其对Fe2+的吸附容量最高达到200mg/g、Cr3+金属离子的吸附容量最高达到140mg/g,同时还能对其他Cu2+、Al3+金属离子进行有效吸附;
3、本发明采用皮革厂产生的蓝湿革皮屑作为原料,能够有效解决蓝湿革后期处理的问题,同时,变废为宝,制成胶原吸附材料,从而有效解决重金属污染问题。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
制备有机鞣剂
分别取质量百分比为25%的戊二醛水溶液50g和30%甲醛水溶液75g,其以溶质计质量比为5:9。在氮气氛围下,将戊二醛水溶液和甲醛水溶液在pH=7.5的条件下于100℃回流0.6h即得。
制备胶原吸附材料
选取制革工艺鞣制后,蓝湿革削匀段皮屑为原料,按常规方法进行皮屑的粒度进行筛选,筛选出100-300μm的膜状物,对其进行清洗、脱脂,同时采用碳酸钠和碳酸氢钠缓冲液调节其pH值至5.8~6.2。
将杨梅栲胶6g溶于3000mL蒸馏水中制成混合溶液,将处理好的蓝湿革皮屑300g加入到混合溶液中,振荡反应3h,加入0.5~0.8g硫酸调节其pH值至3.3,反应1.5h,再加入碳酸钠和碳酸氢钠的缓冲溶液,调节其pH值至7.8-8.3,再加入有机鞣剂7.5g,振荡反应40min,然后静置12h,过滤并洗涤后,即得到胶原吸附材料。
通过差热仪(DSC)测试,其收缩温度为86℃。
测定胶原吸附材料对Fe2+、Cr3+的吸附
分别配制含有Fe2+、Cr3+重金属离子的模拟废水各200mL,其浓度分别为72mg/L,100mg/L。各取1g实施例1所制备的胶原吸附材料在常温下振荡吸附24h,计算吸附前后溶液中,金属离子浓度变化,从而计算胶原吸附材料的吸附量。结果如下:胶原吸附材料对Fe2+的吸附量为89mg/g,对Cr3+的吸附量为137mg/g,说明本发明所制备的胶原吸附材料对Fe2+、Cr3+具有较强的吸附能力。
实施例2
制备有机鞣剂
分别取质量百分比为25%的戊二醛水溶液40g和30%甲醛水溶液30g,其以溶质计质量比为10:9。在氮气氛围下,将戊二醛水溶液和甲醛水溶液在pH=9的条件下于90℃回流1.5h即得。
制备胶原吸附材料
选取制革工艺鞣制后,蓝湿革削匀段皮屑为原料,按常规方法进行皮屑的粒度进行筛选,筛选出200-300μm的膜状物,对其进行清洗、脱脂,同时采用碳酸钠和碳酸氢钠缓冲液调节其pH值至5.0。
将荆树皮栲胶5g溶于2500mL蒸馏水中制成混合溶液,将处理好的蓝湿革皮屑200g加入到混合溶液中,振荡反应2h,加入以溶质计0.5~1g甲酸调节其pH值至3.5~4.0,反应1h,再加入碳酸钠和碳酸氢钠的缓冲溶液,调节其pH值至7.5,再加入有机鞣剂5g,振荡反应0.5h,然后静置8h,过滤并洗涤后,即得到胶原吸附材料。
通过差热仪(DSC)测试,其收缩温度为73℃。
测定胶原吸附材料对Fe2+、Cr3+的吸附
分别配制含有Fe2+、Cr3+重金属离子的模拟废水各200mL,其浓度分别为75mg/L,90mg/L。各取1g实施例1所制备的胶原吸附材料在常温下振荡吸附24h,计算吸附前后溶液中,金属离子浓度变化,从而计算胶原吸附材料的吸附量。结果如下:胶原吸附材料对Fe2+的吸附量为80mg/g,对Cr3+的吸附量为125mg/g。
实施例3
制备有机鞣剂
分别取质量百分比为30%的戊二醛水溶液30g和30%甲醛水溶液30g,其以溶质计质量比为1:1。在氩气氛围下,将戊二醛水溶液和甲醛水溶液在pH=8.5的条件下于80℃回流2h即得。
制备胶原吸附材料
选取制革工艺鞣制后,蓝湿革削匀段皮屑为原料,按常规方法进行皮屑的粒度进行筛选,筛选出100-200μm的膜状物,对其进行清洗、脱脂,同时采用碳酸钠和碳酸氢钠缓冲液调节其pH值至6.0~6.5。
将荆树皮栲胶和杨梅栲胶按1:1的质量比混合得到植物鞣剂,取植物鞣剂7g溶于2500mL蒸馏水中制成混合溶液,将处理好的蓝湿革皮屑300g加入到混合溶液中,振荡反应4h,加入以溶质计0.2~1g甲酸、硫酸、草酸的混合液(其中甲酸、硫酸、草酸以溶质计等质量混合)调节其pH值至3.0~3.5,反应2h,再加入碳酸钠和碳酸氢钠的缓冲溶液,调节其pH值至7.5~8.0,再加入有机鞣剂6g,振荡反应1h,然后静置20h,过滤并洗涤后,即得到胶原吸附材料。
通过差热仪(DSC)测试,其收缩温度为112℃。
测定胶原吸附材料对Fe2+、Cr3+的吸附
分别配制含有Fe2+、Cr3+重金属离子的模拟废水各200mL,其浓度分别为70mg/L,95mg/L。各取1g实施例1所制备的胶原吸附材料在常温下振荡吸附24h,计算吸附前后溶液中,金属离子浓度变化,从而计算胶原吸附材料的吸附量。结果如下:胶原吸附材料对Fe2+的吸附量为85mg/g,对Cr3+的吸附量为133mg/g。
实施例4
制备有机鞣剂
分别取质量百分比为50%的戊二醛水溶液25g和25%甲醛水溶液45g,其以溶质计质量比为16:15。在氩气氛围下,将戊二醛水溶液和甲醛水溶液在pH=8.2的条件下于95℃回流0.8h即得。
制备胶原吸附材料
选取制革工艺鞣制后,蓝湿革削匀段皮屑为原料,按常规方法进行皮屑的粒度进行筛选,筛选出100-300μm的膜状物,对其进行清洗、脱脂,同时采用碳酸钠和碳酸氢钠缓冲液调节其pH值至6.2~6.5。
将荆树皮栲胶和杨梅栲胶按2:1的质量比混合得到植物鞣剂,取植物鞣剂6g溶于3500mL蒸馏水中制成混合溶液,将处理好的蓝湿革皮屑360g加入到混合溶液中,振荡反应3.5h,加入以溶质计0.6~1g甲酸、硫酸、草酸的混合液(其中硫酸、草酸以溶质计,质量比为1:2)调节其pH值至3.2~3.5,反应1.6h,再加入碳酸钠和碳酸氢钠的缓冲溶液,调节其pH值至7.5~8.0,再加入有机鞣剂8g,振荡反应1h,然后静置20h,过滤并洗涤后,即得到胶原吸附材料。
通过差热仪(DSC)测试,其收缩温度为92℃。
测定胶原吸附材料对Fe2+、Cr3+的吸附
分别配制含有Fe2+、Cr3+重金属离子的模拟废水各200mL,其浓度分别为76mg/L,88mg/L。各取1g实施例1所制备的胶原吸附材料在常温下振荡吸附24h,计算吸附前后溶液中,金属离子浓度变化,从而计算胶原吸附材料的吸附量。结果如下:胶原吸附材料对Fe2+的吸附量为83mg/g,对Cr3+的吸附量为130mg/g。
其中,实施例中所使用的荆树皮栲胶购买于广西武鸣栲胶厂,杨梅栲胶够买于广西百色材化总厂。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。