CN103586004B - 可吸附水中砷的海绵状吸附材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了可吸附水中砷的海绵状吸附材料及其制备方法和应用，属于环境功能材料合成与应用领域。本发明以接枝多乙烯多胺的聚乙烯醇海绵为基质，采用复合法负载铁氢氧化物制得新型海绵状吸附材料。该合成方法简单、原料易得，所制备的海绵状吸附材料不仅具备韧性大、机械强度高和高吸水性的优点，同时热稳定性高，负载的铁氢氧化物不易流失，对水中的三价砷和五价砷都有较高吸附容量。
Description
技术领域：
本发明公开了一种可吸附水中砷吸附材料及其制备方法，更具体的说是可吸附水中砷的海绵状吸附材料及其制备方法和应用。
背景技术：
砷(Ⅲ、V)对人体和生态环境危害极大，有效去除水中砷(Ⅲ、V)是水处理领域的研究热点。目前常用水中砷的去除方法有：沉淀法、膜处理法、吸附法、氧化法、萃取法和电凝聚法等。沉淀法除砷技术虽在治理砷浓度较高的工业废水中得到广泛应用，但生成的沉淀物含有As、Fe、Ca等元素，成份复杂且不稳定，极易发生二次污染，需采取必要的防范和安全处置措施[许根福.处理高砷浓度工业废水的化学沉淀法.湿法冶金[J].2009,28(1):12-17]。膜处理法虽然具有操作简单、处理效果好的优点，但对设备和操作技术要求高,且存在着能耗大、运行成本高、膜易被污染等缺点，限制了膜技术的推广和应用[杨凡.关于膜技术在饮用水除砷处理中的研究与应用.科技资讯[J].2009,(18):7]。萃取法由于其自身特点，目前鲜有用于工业生产废水和生活饮用水除砷的报道。Tao Wang等学者采用CO2超临界萃取-离子对联用技术从固体基质中去除砷，它的缺陷在于无法在原位直接进行萃取-离子对联用，必须首先进行离子对预处理才能使超临界萃取发挥作用，而且萃取效果与离子对试剂(四丁基溴化铵)用量密切相关。该方法成本高，技术难度大，很难实现工程应用[Tao Wang,Yanfen Guan.Removal ofarsenic in the form of anions from solid matrices by supercritical CO2extraction withion-pairing(离子对超临界CO2萃取技术对固相中三价砷的去除研究).Separationand Purification Technology[J].2003,31(2):225-230]。
吸附法由于操作简单、运行效果稳定、可回收废水中的砷、对环境不产生二次污染，且吸附材料来源广泛、价格低廉、可重复使用倍受人们关注，很多学者正在开展吸附法治理水体砷污染研究。近些年，采用海绵吸附材料吸附去除水中砷已经引起人们的重视，因为海绵状吸附材料在形状上具有很强的可塑性，能够适用于复杂水环境，也便于回收再生。已经公开专利（专利名称：一种利用废旧聚乙烯醇海绵制备的海绵状吸附材料及制备方法，公开号：CN103071468A专利申请单位：南京大学）制备的海绵状吸附材料可以通过表面负载三价铁离子快速吸附去除水中砷(V)，但该海绵在实际使用过程中仍存在一些需要改进的地方：1）热稳定性有待提高，热重分析结果表明该材料在100摄氏度以上其部分结构被破坏，质量损失10%左右；2）海绵上负载的三价铁离子在吸附-脱附重复使用过程中，出现部分流失的现象，导致吸附砷(V)性能有所下降；3）虽然对砷(V)的吸附容量较高，但对砷(Ⅲ)吸附容量较低，无法满足同时去除砷(Ⅲ)和砷(V)的需求，但是水中砷污染常常是砷(Ⅲ)和砷(V)的复合污染，且砷(Ⅲ)的生物毒性远大于砷(V)的生物毒性。因此合成具备热稳定性高、负载铁不易流失、且同时对砷(Ⅲ)和砷(V)有高吸附容量的新型海绵状吸附材料有着重要的实际应用价值。
发明内容：
1、发明要解决的问题
针对已公开专利（一种利用废旧聚乙烯醇海绵制备的海绵状吸附材料及制备方法，公开号：CN103071468A专利申请单位：南京大学）存在的不足：
（1）已公开专利中制备方法的不足：现有公开专利中的Fe3+与海绵上氨基络合能力较低，且硫酸铁溶液pH值较低（小于3，否则Fe3+会沉淀），而溶液低pH值不利于氨基对硫酸铁的吸附，因此导致海绵上负载三价铁的量难以进一步提高。（2）已公开专利中吸附材料的不足：现有公开专利中的海绵状吸附材料热稳定性不高，负载的三价铁离子不稳定，易出现流失，影响后续的吸附效果；且对砷（Ⅲ）吸附容量不高。要解决上述问题，合成过程存在的难点如下：
（1）若利用三价铁盐溶液负载三价铁离子，三价铁盐溶液低pH值以及海绵氨基对三价铁离子络合力低导致铁负载量难以提高；
（2）若改用二价铁盐溶液负载二价铁离子，二价铁盐溶液pH高于三价铁盐溶液，且二价铁离子与氨基络合力高于三价铁离子，虽可以提高铁负载量，但二价铁离子对砷的吸附能力较弱；
（3）无论是将三价铁离子还是二价铁离子简单负载到海绵上，都会出现铁离子在使用过程中流失的现象。
本发明提供可吸附水中砷的海绵状吸附材料及其制备方法和应用，采用复合负载法，即通过络合吸附-化学沉淀-氧化法在接枝多乙烯多胺的PVA（英文名称：Polyvinylalcohol，简称：PVA，CAS登录号：9002-89-5）海绵上负载铁氢氧化物。该合成方法不仅反应原料易得、合成步骤简单、试剂用量少、反应条件易于控制，所制备的新型海绵状吸附材料与已公开专利（一种利用废旧聚乙烯醇海绵制备的海绵状吸附材料及制备方法，公开号：CN103071468A）相比，制得的吸附材料除保留亲水性高、吸水性强、韧性好的特点，还具有热稳定性高（100℃以下质量损失<1%）、负载铁氢氧化物不易流失，负载铁的量提高，以及对砷(Ⅲ、V)有较高吸附容量的优点。因此本发明制得的新型海绵状吸附材料在吸附性能和物理化学稳定性上有非常明显提升。
3、技术方案
本发明提供的可吸附水中砷的海绵状吸附材料是以接枝多乙烯多胺的PVA海绵为基体，表面修饰负载铁氢氧化物制备而成，其基本结构式如下：
所述的海绵状吸附材料的比表面积为90-120m2/g；吸水率(质量)为8-10倍。图中m、n=1或2，x=1600-1800，其中m、n、x均表示聚合度。
可吸附水中砷的海绵状吸附材料，其合成流程和基本结构式如下：
第一步反应：氯烷基化反应制备氯烷基化海绵PVA-Cl
第二步反应：胺化反应制备多乙烯多胺修饰的海绵PVA-N
第三步反应：负载铁氢氧化物的海绵状吸附材料PVA-N-FeOOH
可吸附水中砷的海绵状吸附材料，其制备步骤为：
（1）PVA海绵预处理
（2）氯烷基化反应
将海绵加入三颈烧瓶中，加入环氧氯丙烷、氢氧化钠溶液，40-60℃水浴加热2-8h，冷却过滤，用乙醇和蒸馏水（体积比=1：1）洗至中性，40-80℃真空干燥，得到氯烷基化海绵PVA-Cl；
其中PVA海绵质量g：环氧氯丙烷体积ml：氢氧化钠溶液ml=1：4-6：8；氢氧化钠溶液摩尔浓度为6M；
（3）胺化反应
将PVA-Cl海绵加入到三颈烧瓶中，加入多乙烯多胺、氢氧化钠溶液，60-80℃水浴加热8-16h，用水洗涤产物至中性，40-80℃真空干燥，得到多乙烯多胺修饰的海绵PVA-N；其中PVA-Cl海绵质量g：多乙烯多胺体积ml：氢氧化钠溶液ml=1：3-5：10；氢氧化钠溶液摩尔浓度为0.001M；
（4）负载铁氢氧化物反应
将PVA-N海绵投加到三颈烧瓶中，加入硫酸亚铁溶液，并缓慢滴加氢氧化钠调节pH=3-12，然后再加入过氧化氢溶液；过程中不断搅拌，室温反应8-24h。用蒸馏水洗至中性，100-120℃真空干燥4-12h，得到成品负载铁氢氧化物的海绵状吸附材料PVA-N-FeOOH，即可用于吸附砷(Ⅲ、V)。其中PVA-N海绵质量g、硫酸亚铁溶液体积ml、过氧化氢溶液体积ml=1：10-20：1；硫酸亚铁溶液摩尔浓度为0.15M,氢氧化钠溶液摩尔浓度为6M，过氧化氢溶液摩尔浓度为10M。
3、有益效果
本发明提供了一种可吸附水中砷(Ⅲ、V)的新型海绵状吸附材料及其制备方法，相比已公开的专利（一种利用废旧聚乙烯醇海绵制备的海绵状吸附材料及制备方法，公开号：CN103071468A）和现有技术，本专利具有以下的创新点和优点:（1）采用新型络合吸附-化学沉淀-氧化复合法负载铁氢氧化物，不仅铁负载量有所提高，所负载的铁氢氧化物不易流失。
（2）本发明制备的海绵状吸附材料对砷(V)的吸附容量明显高于已公开专利（一种利用废旧聚乙烯醇海绵制备的海绵状吸附材料及制备方法，公开号：CN103071468A）中的吸附材料，对砷（Ⅲ）也有较好的吸附性能。
（3）本发明制备的海绵状吸附材料具有较好的热稳定性，100℃时几乎不发生质量损失（<1%）。
附图说明
图1海绵状吸附材料PVA-N-FeOOH的结构图
图2实施例1中制备的海绵状吸附材料的红外谱图，横坐标表示波数，纵坐标代表透过强度，（PVA-N-FeOOH与PVA的差异：PVA-N-FeOOH在δ2800cm-1左右的峰为仲胺盐特征峰，在δ3400cm-1左右的峰为伯胺盐特征峰，PVA在δ3000cm-1左右的峰为羟基特征峰）。
图3实施例2中制备的海绵状吸附材料的固体核磁共振谱图13CNMR及对应的特征峰结构，横坐标代表13C的化学位移，纵坐标代表强度。
图4实施例2中制备的海绵状吸附材料扫描电镜图（左图放大30000倍，表面覆盖的颗粒物为负载的铁氢氧化物；右图放大500倍，呈现清晰的多孔结构）
图5实施例3中制备的海绵状吸附材料的热重分析图，横坐标代表温度，左侧纵坐标（对应实线）代表相应温度下质量占原质量的百分比（%），右侧纵坐标（对应虚线）代表质量变化速率（%min）。
图6实施例4中制备的海绵状吸附材料的XPS（Fe元素）分析图，横坐标代表结合能，纵坐标代表吸收强度。由图可知，Fe2p轨道电子在结合能711.7eV(±0.2eV)处的吸收峰代表海绵材料上的铁为FeOOH结构（T.L.BARR,An ESCA Studyof Termination of the Passivation of Elemental Metals（ESCA技术对金属钝化过程终止的研究）.The Journal of Physical Chemistry,1978,82(16):1801-1810.）。
图7实施例1中制备的PVA-N-FeOOH海绵吸附砷（Ⅲ,V）试验吸附等温线图。
图8实施例2中制备的PVA-N-FeOOH海绵吸附砷（Ⅲ,V）试验吸附等温线图。
图9实施例3中制备的PVA-N-FeOOH海绵吸附砷（Ⅲ,V）试验吸附等温线图。
图10实施例4中制备的PVA-N-FeOOH海绵吸附砷（Ⅲ,V）试验吸附等温线图。
图11实施例5中制备的PVA-N-FeOOH海绵吸附砷（Ⅲ,V）试验吸附等温线图。
图12实施例6中制备的PVA-N-FeOOH海绵吸附砷（Ⅲ,V）试验吸附等温线图。
具体实施方式
实施例1
（1）PVA海绵预处理：将4g PVA海绵用乙醇在索氏抽提器中抽提2小时，然后用蒸馏水洗净，40摄氏度烘干备用；
（2）氯烷基化反应
将经过预处理的PVA海绵加入三颈瓶中，加入16ml环氧氯丙烷、浓度为6M的氢氧化钠溶液32ml，40℃水浴加热反应2h，冷却过滤，用乙醇和蒸馏水（体积比为1：1）洗至中性，40℃真空干燥，得到氯烷基化海绵PVA-Cl，质量与抽提过后的PVA海绵基本相同；
x=1800,用凝胶渗透色谱法测定（参考文献：沈新元主编，《化学纤维手册》，中国纺织出版社，p785；杭宇等，聚乙烯醇新型工艺技术的研究进展，化工科技，2009,17（4）：52-56；刘水灵，凝胶色谱法测定聚氨酯的分子量及分布，浙江化工，29（4）：41-43）
（3）胺化反应
将PVA-Cl海绵加入三颈瓶中，加入12mL多乙烯多胺、40mL氢氧化钠溶液（浓度0.001M），60℃反应8h，用水洗涤产物至中性，40℃真空干燥，得到胺修饰海绵PVA-N，质量与PVA-Cl海绵基本相同，结构如下：
m=1,n=1(采用元素分析法测得含N元素的百分含量，换算而得)
（4）负载铁氢氧化物反应
将PVA-N海绵投加到三颈烧瓶中，加入40mL0.15M硫酸亚铁溶液，并缓慢滴加6M氢氧化钠调节pH=3，然后再加入4mL浓度为10M过氧化氢溶液。过程中不断搅拌，室温反应8h。用蒸馏水洗至中性，100℃真空干燥4h，得到成品负载铁氢氧化物的海绵状吸附材料PVA-N-FeOOH，即可用于吸附砷(Ⅲ、V)。
其理化特性如下：
| 吸水率（质量比） | 比表面积（m2/g） |
| 9.2倍 | 102.6 |
（5）静态平衡吸附试验
吸附砷（Ⅲ）：在5个锥形瓶中分别加入0.1g PVA-N-FeOOH海绵，每个锥形瓶中分别加入50ml初始浓度为10、20、30、40、50mg/L的砷(Ⅲ)溶液，在恒温摇床中振荡1小时后，测定溶液中剩余砷浓度；
吸附砷（Ⅴ）：在5个锥形瓶中分别加入0.1g PVA-N-FeOOH海绵，每个锥形瓶中分别加入50ml初始浓度为10、20、30、40、50mg/L的砷(Ⅴ)溶液，在恒温摇床中振荡1小时后，测定溶液中剩余砷浓度；
依据以下公式计算平衡吸附量：
平衡吸附量=（溶液初始砷浓度-吸附平衡时溶液砷浓度）÷海绵质量
以溶液平衡浓度为X轴，平衡吸附量为Y轴，作出吸附等温线如图7：对砷(Ⅲ)最大平衡吸附量16.04mg/g；对砷(V)最大平衡吸附量18.25mg/g。
制备的海绵状吸附材料PVA-N-FeOOH的结构图，如下所示（图1所示）：
图2为实施例1中制备的海绵状吸附材料的红外谱图。
实施例2
（1）PVA海绵预处理
将4g PVA海绵用乙醇在索氏抽提器中抽提5小时，然后用蒸馏水洗净，60摄氏度烘干备用；
（2）氯烷基化反应
将经过预处理的PVA海绵加入三颈瓶中，加入18ml环氧氯丙烷、浓度为6M的氢氧化钠溶液32ml，50℃水浴加热反应5h，冷却过滤，用乙醇和蒸馏水洗至中性，70℃真空干燥，得到氯烷基化海绵PVA-Cl，其中x=1730；
（3）胺化反应
将PVA-Cl海绵加入三颈瓶中，加入14mL多乙烯多胺、40mL氢氧化钠溶液（浓度0.001M），70℃水浴加热反应12h，用水洗涤产物至中性，70℃真空干燥，得到胺修饰海绵PVA-N，其中m=1，n=2。
（4）负载铁氢氧化物反应
将PVA-N海绵投加到三颈烧瓶中，加入50mL浓度为0.15M硫酸亚铁溶液，并缓慢滴加6M氢氧化钠调节pH=5，然后再加入4mL浓度为10M过氧化氢溶液。过程中不断搅拌，室温反应12h。用蒸馏水洗至中性，110℃真空干燥8h，
得到成品负载铁氢氧化物的海绵状吸附材料PVA-N-FeOOH，即可用于吸附砷(Ⅲ、V)。
其理化特性如下：
| 吸水率（质量比） | 比表面积（m2/g） |
| 8.4倍 | 115.3 |
如图3所示为实施例2中制备的海绵状吸附材料的固体核磁共振谱图13CNMR及对应的特征峰结构，横坐标代表13C的化学位移，纵坐标代表强度。
如图4所示为实施例2中制备的海绵状吸附材料扫描电镜图（左图放大30000倍，表面覆盖的颗粒物为负载的铁氢氧化物；右图放大500倍，呈现清晰的多孔结构）。
（5）静态平衡吸附试验
方法同例1，作吸附等温线如图8：对砷(Ⅲ)最大平衡吸附量16.47mg/g，对砷(V)最大平衡吸附量19.14mg/g。
实施例3
（1）PVA海绵预处理
将4g PVA海绵用乙醇在索氏抽提器中抽提8小时，然后用蒸馏水洗净，80摄氏度烘干备用；
（2）氯烷基化反应
将经过预处理的PVA海绵加入三颈瓶中，加入20ml环氧氯丙烷、浓度为6M的氢氧化钠溶液32ml，60℃水浴加热反应8h，冷却过滤，用乙醇和蒸馏水洗至中性，80℃真空干燥，得到氯烷基化海绵PVA-Cl，其中x=1600；
（3）胺化反应
将PVA-Cl海绵加入三颈瓶中，加入16mL多乙烯多胺、40mL氢氧化钠溶液（浓度0.001M），80℃反应16h，用水洗涤产物至中性，80℃真空干燥，得到胺修饰海绵PVA-N，其中m=2，n=2。
（4）负载铁氢氧化物反应
将PVA-N海绵投加到三颈烧瓶中，加入60mL浓度为0.15M硫酸亚铁溶液，并缓慢滴加6M氢氧化钠调节pH=7，然后再加入4mL浓度为10M过氧化氢溶液。过程中不断搅拌，室温反应24h。用蒸馏水洗至中性，120℃真空干燥12h，得到成品负载铁氢氧化物的海绵状吸附材料PVA-N-FeOOH，即可用于吸附砷(Ⅲ、V)。
其理化特性如下：
| 吸水率（质量比） | 比表面积（m2/g） |
| 8.8倍 | 112.4 |
如图5所示为实施例3中制备的海绵状吸附材料的热重分析图，横坐标代表温度，左侧纵坐标（对应实线）代表相应温度下质量占原质量的百分比（%），右侧纵坐标（对应虚线）代表质量变化速率（%min）。
（5）静态平衡吸附试验
方法同例1，作吸附等温线如图9：对砷(Ⅲ)最大平衡吸附量16.92mg/g，对砷(V)最大平衡吸附量18.92mg/g。
实施例4
（1）废旧PVA海绵预处理同例1，但是抽提溶剂改为丙酮。
（2）氯烷基化反应
将经过预处理的PVA海绵加入三颈瓶中，加入22ml环氧氯丙烷、浓度为6M的氢氧化钠溶液32ml，40℃水浴加热反应3h，冷却过滤，用乙醇和蒸馏水洗至中性，60℃真空干燥，得到氯烷基化海绵PVA-Cl，其中x=1760；
（3）胺化反应
将PVA-Cl海绵加入三颈瓶中，加入18mL多乙烯多胺、40mL氢氧化钠溶液（浓度0.001M），70℃反应15h，用水洗涤产物至中性，40℃真空干燥，得到胺修饰海绵PVA-N，其中m=1，n=1。
（4）负载铁氢氧化物反应
将PVA-N海绵投加到三颈烧瓶中，加入70mL0.15M硫酸亚铁溶液，并缓慢滴加6M氢氧化钠调节pH=9，然后再加入4mL10M过氧化氢溶液。过程中不断搅拌，室温反应24h。用蒸馏水洗至中性，110℃真空干燥4h，得到成品负载铁氢氧化物的海绵状吸附材料PVA-N-FeOOH，即可用于吸附砷(Ⅲ、V)。
其理化特性如下：
| 吸水率（质量比） | 比表面积（m2/g） |
| 8.6倍 | 107.9 |
如图6所示为实施例4中制备的海绵状吸附材料的XPS（Fe元素）分析图，横坐标代表结合能，纵坐标代表吸收强度。
（5）静态平衡吸附试验
方法同例1，作吸附等温线如图10：对砷(Ⅲ)最大平衡吸附量17.36mg/g，对砷(V)最大平衡吸附量19.45mg/g。
实施例5
（1）废旧PVA海绵预处理同例1，但是抽提的有机溶剂改为丙酮。
（2）氯烷基化反应
将经过预处理的PVA海绵加入三颈瓶中，加入24ml环氧氯丙烷、浓度为6M的氢氧化钠溶液32ml，40℃水浴加热反应6h，冷却过滤，用乙醇和蒸馏水洗至中性，50℃真空干燥，得到氯烷基化海绵PVA-Cl，其中x=1780；
（3）胺化反应
将PVA-Cl海绵加入三颈瓶中，加入20mL多乙烯多胺、40mL氢氧化钠溶液（浓度0.001M），75℃反应13h，用水洗涤产物至中性，50℃真空干燥，得到胺修饰海绵PVA-N，其中m=1，n=2。
（4）负载铁氢氧化物反应
将PVA-N海绵投加到三颈烧瓶中，加入80mL浓度为0.15M硫酸亚铁溶液，并缓慢滴加6M氢氧化钠调节pH=11，然后再加入4mL浓度为10M过氧化氢溶液。过程中不断搅拌，室温反应24h。用蒸馏水洗至中性，110℃真空干燥5h，得到成品负载铁氢氧化物的海绵状吸附材料PVA-N-FeOOH，即可用于吸附砷(Ⅲ、V)。
其理化特性如下：
| 吸水率（质量比） | 比表面积（m2/g） |
| 9.1倍 | 112.6 |
（5）静态平衡吸附试验
方法同例1，作吸附等温线如图11：对砷(Ⅲ)最大平衡吸附量17.25mg/g，对砷(V)最大平衡吸附量18.73mg/g。
实施例6
（1）废旧PVA海绵预处理同例1，抽提有机溶剂为丙酮。
（2）氯烷基化反应同例5，其中x=1770；
（3）胺化反应同例3，其中m=2，n=2。
（4）负载铁氢氧化物反应
将PVA-N海绵投加到三颈烧瓶中，加入65mL浓度为0.15M硫酸亚铁溶液，并缓慢滴加6M氢氧化钠调节pH=12，然后再加入4mL浓度为10M过氧化氢溶液。过程中不断搅拌，室温反应24h。用蒸馏水洗至中性，110℃真空干燥6h，得到成品负载铁氢氧化物的海绵状吸附材料PVA-N-FeOOH，即可用于吸附砷(Ⅲ、V)。
其理化特性如下：
| 吸水率（质量比） | 比表面积（m2/g） |
| 9.8倍 | 108.7 |
（5）静态平衡吸附试验
方法同例1，作吸附等温线如图12：对砷(Ⅲ)最大平衡吸附量16.62mg/g，对砷(V)最大平衡吸附量19.59mg/g。
实施例1-6制备的可吸附水中砷的海绵状吸附材料，为接枝多乙烯多胺的PVA海绵，通过多乙烯多胺的络合作用负载铁氢氧化物。材料具有亲水性表面、高吸水性，比表面积为90-120m2/g；吸水率(质量)为8-10倍，同时有较好的热稳定性，负载的铁氢氧化物不易流失，对砷(Ⅲ、V)具有较高的吸附容量。同时在实验中也发现在海绵预处理中所用有机溶剂（丙酮或乙醇）对海绵制备并无显著影响；氯烷基化过程中所用环氧氯丙烷的量对海绵理化特性（吸水率、比表面积）和对砷的吸附性能有影响；胺化反应过程所用多乙烯多胺的量对海绵理化特性（吸水率、比表面积）和对砷的吸附性能有影响；负载铁氢氧化物反应过程中所用硫酸亚铁、过氧化氢的量对海绵吸附砷(Ⅲ、V)的性能有影响。
Claims (8)
1.可吸附水中砷的海绵状吸附材料制备方法，其步骤为：
(1)PVA海绵预处理；
(2)氯烷基化反应
将预处理后的海绵加入三颈烧瓶中，加入环氧氯丙烷、氢氧化钠溶液，40-60℃水浴加热2-8h，冷却过滤，用乙醇和蒸馏水洗至中性，40-80℃真空干燥，得到氯烷基化海绵PVA-Cl；
(3)胺化反应
将PVA-Cl海绵加入到三颈烧瓶中，加入多乙烯多胺、氢氧化钠溶液，60-80℃水浴加热8-16h，用水洗涤产物至中性，40-80℃真空干燥，得到多乙烯多胺修饰的海绵PVA-N；
(4)负载铁氢氧化物反应
将PVA-N海绵投加到三颈烧瓶中，加入硫酸亚铁溶液，并缓慢滴加氢氧化钠溶液调节pH值在3-12范围内，然后再加入过氧化氢溶液；过程中不断搅拌，室温反应8-24h；用蒸馏水洗至中性，100-120℃真空干燥4-12h，得到成品PVA-N-FeOOH，即可用于吸附去除水中砷。
2.根据权利要求1所述的可吸附水中砷的海绵状吸附材料制备方法，其特征在于，所述的步骤1 PVA海绵预处理为将PVA海绵用有机溶剂在索氏抽提器中抽提2-8小时，然后用蒸馏水洗净，40-80℃烘干备用。
3.根据权利要求1所述的可吸附水中砷的海绵状吸附材料制备方法，其特征在于，所述步骤2中乙醇和蒸馏水的体积比为1：1。
4.根据权利要求1所述的可吸附水中砷的海绵状吸附材料制备方法，其特征在于，所述步骤2中PVA海绵、环氧氯丙烷和氢氧化钠溶液的比例为PVA海绵质量g：环氧氯丙烷体积ml：氢氧化钠溶液ml＝1：4-6：8；氢氧化钠溶液摩尔浓度为6M。
5.根据权利要求1所述的可吸附水中砷的海绵状吸附材料制备方法，其特征在于，所述步骤3中PVA-Cl海绵、多乙烯多胺和氢氧化钠溶液的比例为：PVA-Cl海绵质量g：多乙烯多胺体积ml：氢氧化钠溶液体积ml＝1：3-5：10；氢氧化钠溶液摩尔浓度为0.001M。
6.根据权利要求1所述的可吸附水中砷的海绵状吸附材料制备方法，其特征在于，所述步骤4中PVA-N海绵、硫酸亚铁和过氧化氢溶液的比例为：PVA-N海绵质量g：硫酸亚铁溶液体积ml：过氧化氢溶液体积ml＝1：10-20：1；硫酸亚铁溶液摩尔浓度为0.15M，氢氧化钠溶液摩尔浓度为6M，过氧化氢溶液摩尔浓度为10M。
7.根据权利要求2所述的可吸附水中砷的海绵状吸附材料制备方法，其特征在于，所述的有机溶剂为乙醇或丙酮。
8.根据权利要求1所述的可吸附水中砷的海绵状吸附材料制备方法，制备得到的可吸附水中砷的海绵状吸附材料用于吸附去除水中砷。
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| JP2008207110A (ja) * | 2007-02-27 | 2008-09-11 | Nittetsu Mining Co Ltd | 鉄イオン及び砒素を含有するイオンを含むｐＨ４未満の水処理用吸着剤及び前記水の浄化方法 |
| KR20110040216A (ko) * | 2009-10-13 | 2011-04-20 | 한국화학연구원 | 음이온 교환막의 제조방법 및 이로부터 제조된 음이온 교환막 |
| CN102580699A (zh) * | 2012-03-02 | 2012-07-18 | 南京大学 | 一种利用废弃pet纤维制备的应急吸附材料及制备方法 |
| CN103071468A (zh) * | 2013-01-30 | 2013-05-01 | 南京大学 | 一种利用废旧聚乙烯醇海绵制备的海绵状吸附材料及制备方法 |
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| "载铁(β-FeOOH)球形棉纤维素吸附剂去除地下水砷(Ⅲ)的研究";郭学军等;《高等学校化学学报》;20070731;第26卷(第7期);引言部分 * |
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