CN103611503B - α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖、制备方法及其在含镉废水处理领域中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖，包括四氧化三铁、壳聚糖和α-酮戊二酸，饱和磁化值为20～25emu/g，四氧化三铁和壳聚糖制备得到磁性壳聚糖，改性的磁性壳聚糖呈网状结构，红外光谱图上出现了Fe-O键等官能团峰值，表现出团聚现象，制备方法是将含有壳聚糖的乙酸溶液加入到四氧化三铁悬浮液中，加入三聚磷酸钠溶液，反应，分离得磁性壳聚糖；然后将α-酮戊二酸加入到含有磁性壳聚糖的乙酸缓冲液中，加入硼氢化钠溶液，分离得到α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖，其理化性能稳定、磁性强，在处理含镉离子废水中，处理效率高，可重复利用，回收方便。

Description

α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖、制备方法及其在含镉废水处理领域中的应用

技术领域

本发明涉及一种a-酮戊二酸改性壳聚糖，具体是涉及一种α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖、制备方法和在含镉废水处理领域中的应用。

背景技术

重金属离子具有很大危害，比如镉离子广泛存在于皮革制造、电镀、印刷、冶金等工业废水中，具有很高的毒性、致癌性以及水溶性，同时它能够通过食物链传播，最终破坏人体的肾脏和骨骼。来自日本富山县，震惊全人类的痛痛病就是由口服含镉的水导致的，因此，去除水体中的镉离子在国内外引起了广泛的关注。

在众多重金属离子特别是镉离子的去除方法中，吸附法由于其操作简单方便、吸附剂种类多、吸附成本低廉、处理效率高以及容易再生等特点，引起了人们的兴趣和关注。壳聚糖是一种自带氨基和羟基的天然有机物，能够与重金属离子发生螯合作用，在重金属处理方面具有显著优势，但是由于壳聚糖本身自带的氨基极易形成四级胺正离子，有弱碱性阴离子交换作用，在酸性溶液中容易溶解，稳定性差，因此对其进行改性，能够更高效的应用于重金属离子特别是镉离子的处理中。

α-酮戊二酸改性壳聚糖对金属离子的吸附性能，《东南大学学报（自然科学版）》，2001年1月第31卷第1期，公开了一种α-酮戊二酸改性壳聚糖的制备方法，步骤是，壳聚糖用蒸馏水溶胀后，加入α-酮戊二酸，室温下搅拌，得到透明的粘性溶液，用0.1mol/l氢氧化钠溶液调pH至4～5，搅拌，缓慢加入硼氢化钠溶液，硼氢化钠与α-酮戊二酸的摩尔比为1.8，稀盐酸调pH至6～7，反应24小时，将混合物缓慢倒入95%乙醇中，α-酮戊二酸改性壳聚糖析出，减压抽滤，滤出物依次用50ml无水乙醇、无水乙醚洗涤，转入索氏提取器用乙醇连续萃取，红外干燥，得白色粉末状固体，采用电导滴定法测得取代度为0.53。其对铜离子、锌离子和钴离子的吸附容量分别245.89mg/g（pH=7）、177.63mg/g（pH=7）、65.17mg/g（pH=5），但上述方法达到平衡需时较长，吸附速率较慢。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题，提供一种理化性能稳定、磁性强、使用范围广的的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖，同时还提供了一种工艺简单、实用性强的的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖的制备方法，以及一种α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖在含镉废水处理领域中的应用，该应用方法具有吸附容量大、吸附效率高且吸附剂可回收利用等优点。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖，包括四氧化三铁、壳聚糖和α-酮戊二酸，饱和磁化值为20～25emu/g，其中四氧化三铁和壳聚糖制备得到磁性壳聚糖，四氧化三铁和壳聚糖的重量比为1:（1.5～2.5），α-酮戊二酸和磁性壳聚糖的重量比为1～4:1，改性的磁性壳聚糖呈网状结构，红外光谱图上出现了Fe-O键，α-酮戊二酸的C-H伸缩振动和羰基官能团峰值，表现出团聚现象。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖的制备方法，包括以下步骤：

将含有壳聚糖的乙酸溶液加入到四氧化三铁悬浮液中，混合，搅拌状态下加入三聚磷酸钠溶液进行共缩聚反应，三聚磷酸钠的化学式为Na₅P₃O₁₀，分离得磁性壳聚糖；然后将α-酮戊二酸加入到含有磁性壳聚糖的乙酸缓冲液中，加入硼氢化钠溶液，分离得到α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖。其反应路线如下：

本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖的制备方法优选以下参数条件制备而成：

（1）将四氧化三铁粉末置于水中超声分散，最好半小时，得到超声分散后的四氧化三铁悬浮液。所述的四氧化三铁悬浮液还可以采用如下的制备方法，配制二氯化亚铁和三氯化铁的混合溶液，然后充氮气，在水浴和搅拌下，加入氨水溶液，调节pH值在10左右，反应后，经磁性分离收集固体颗粒并反复清洗，真空干燥后得到磁性四氧化三铁纳米粒子，将上述制备的四氧化三铁纳米粒子置于纯水中，超声后获得四氧化三铁悬浮液。

在60～80℃搅拌状态下，将含有壳聚糖的乙酸溶液加入到四氧化三铁悬浮液中，含有壳聚糖的乙酸溶液中壳聚糖质量浓度为1～2%，混合，搅拌状态下加入质量分数为1～2%的三聚磷酸钠溶液，反应后，经磁铁或外部磁场吸附分离，得到磁性壳聚糖，所述四氧化三铁和壳聚糖的重量比优选为1:1.5～2.5，含有壳聚糖的乙酸溶液中的乙酸和三聚磷酸钠的重量比为1:（0.3～0.5）。

（2）将α-酮戊二酸加入到含有磁性壳聚糖的乙酸缓冲液中，所述α-酮戊二酸和磁性壳聚糖的重量比优选为1～4:1，磁性壳聚糖的乙酸缓冲液中磁性壳聚糖质量浓度优选为4～6g/L，在35～45℃搅拌状态下加入硼氢化钠溶液，硼氢化钠与α-酮戊二酸的摩尔比优选为1.5～2.5:1，最佳为1.8:1，搅拌后，经磁铁或其它外部磁场吸附分离，得α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖。

本发明还提供一种α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖在含镉废水处理领域中的应用。

上述应用包括以下步骤：

将α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖加入到含镉离子废水中，混合均匀，分离，得到吸附了镉离子的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖。

优选采用具有以下参数的步骤：

将α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖加入到含镉离子废水中，调节pH值到5.5～6.5，震荡吸附5～90min，α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖的添加量优选为1～1.5g/L，用磁铁或其它外部磁场将吸附了镉离子的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖与溶液分离，完成吸附，达到去除废水中镉离子的目的。

本发明提供的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖在含镉废水处理领域中的应用方法中，α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖可以很方便的回收利用，步骤为，将吸附了镉离子的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖加入到无机碱溶液中，震荡1.5～2.5h，利用磁铁或其它外部磁场分离α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖，清洗，得到α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖。所述无机碱溶液优选氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液，浓度优选0.01～0.03mol/L，吸附了镉离子的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖的添加量为0.5～1.5g/L。

本发明的优点在于：

对壳聚糖引入磁性不仅可以增加其酸碱稳定性，同时在镉吸附后还可以借助外部的磁场作用实现与液相的快速分离，可避免离心或者过滤分离操作带来的不便，大大降低了操作的难度和成本，提高了吸附效率；另一方面，α-酮戊二酸是一种水溶性极高的戊二酸带酮基的衍生物，其分子链上的酮基和羧基可增大吸附剂的水溶性和稳定性，同时和镉也有一定的螯合作用。本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖理化性能稳定、磁性强、使用范围广，在处理含镉离子废水中不仅处理速率达处理效率高，而且该吸附材料可重复利用，回收方便。因此，对天然壳聚糖进行磁性纳米粒子嵌入，再对其进行α-酮戊二酸改性，对合成高性能吸附剂并应用于处理镉废水具有重大意义。

本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖可以高效吸附水体中的金属离子，特别是二价镉离子，不仅吸附容量大、吸附效率高、吸附平衡时间短，而且α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖理化性能稳定，能广泛应用于含金属离子，特别是二价镉离子的废水处理。

本发明制得的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖价格低廉，制备工艺简单，适合于大规模生产和应用。

本发明制得的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖具有强磁性，在外部磁场的作用下，很容易从水溶液中快速分离，且能够通过NaOH溶液进行再生，重复利用，降低了应用成本。

本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖对镉离子的吸附速率快，半小时左右就达到吸附平衡，同时材料可利用磁铁或外部磁场进行快速分离，材料可回收重复利用，再生性能好。

附图说明

图1为本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖的扫描电镜图。

图2为本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖的透射电镜图。

图3为磁性壳聚糖和本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖的红外光谱图。

图4为本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖的磁力曲线图。

图5为本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖对二价镉的去除率随pH值变化的关系示意图。

图6为本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖对二价镉的吸附量随吸附时间变化的关系示意图。

图7为本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖对二价镉的吸附量随二价镉离子初始浓度的关系示意图。

图8为本发明的吸附了二价镉离子的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖的再生利用效果图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖，其主要通过纳米共缩聚法和氧化还原法制得，磁性纳米粒子主要由四氧化三铁组成，壳聚糖表面生成有羰基与和亚氨基，α-酮戊二酸主要通过亚氨基连接壳聚糖，同时颗粒与颗粒之间存在大量网状结构，增大了α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖与其他物质的接触位点。本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖包括四氧化三铁、壳聚糖和α-酮戊二酸，饱和磁化值为20～25emu/g，表明该发明制得的磁性吸附剂具有很强的磁性。四氧化三铁和壳聚糖制备得到磁性壳聚糖，四氧化三铁和壳聚糖的重量比为1:（1.5～2.5），α-酮戊二酸和磁性壳聚糖的重量比为1～4:1，改性的磁性壳聚糖呈网状结构，红外光谱图上出现了Fe-O键，α-酮戊二酸的C-H伸缩振动和羰基官能团峰值，表现出团聚现象，其形态如图1和图2所示。

磁性壳聚糖和α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖的红外光谱图如图3所示，峰值在570cm^-1，指代Fe-O伸缩振动，表明四氧化三铁被引入壳聚糖，2923cm^-1和2853cm^-1是壳聚糖骨架自身C-H键振动峰，峰值在1620cm^-1为N-H键振动峰，在1402cm^-1和1718cm^-1属于α-酮戊二酸的C-H伸缩振动和羰基，表明α-酮戊二酸被引入壳聚糖内。

实施例2

本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖的制备方法，包括以下步骤：

1.制备四氧化三铁悬浮液

配制500mL含0.4mol二氯化亚铁和0.6mol三氯化铁的混合溶液，然后充30min氮气，在70℃水浴和强烈的机械搅拌下，加入4mol/L的氨水溶液，调节pH值在10左右，反应30min后，经磁性分离收集固体颗粒并反复清洗，真空干燥后得到磁性四氧化三铁纳米粒子，将0.1125g的上述制备的四氧化三铁纳米粒子置于150mL纯水中，超声30min获得四氧化三铁悬浮液。

2.制备磁性壳聚糖：

首先将0.225g的壳聚糖溶于质量分数为1%的22.5ml乙酸溶液，制得含有壳聚糖的乙酸溶液，然后在机械搅拌，60℃的条件下，将上述制备的含有壳聚糖的乙酸溶液加入到步骤1制得的四氧化三铁悬浮液中，最后将6.75mL质量分数为1%的三聚磷酸钠溶液逐滴加入上述混合液中，8h持续搅拌后，利用磁铁分离，并通过乙醇、清水反复清洗获得固体，真空干燥后即得磁性壳聚糖。

3.制备α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖：

将0.25g的α-酮戊二酸加入到含0.2g磁性壳聚糖的50mL乙酸缓冲液中，乙酸缓冲液的乙酸质量分数为1%，并通过0.1mol/LNaOH调节pH至5.0～6.0，在搅拌的状态下逐滴加入硼氢化钠溶液，硼氢化钠和α-酮戊二酸的摩尔比为1.8:1，24h搅拌条件下反应后，利用磁铁进行固液分离，乙醇和乙醚进行反复清洗，冷冻干燥，得α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖，在振动样品磁强计（VSM）上测得饱和磁化值为20.26emu/g，如图4所示。

实施例3

本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖的制备方法，包括以下步骤：

1.制备四氧化三铁悬浮液

将0.09g四氧化三铁粉末置于水中超声分散半小时，得到超声分散后的四氧化三铁悬浮液。

2.制备磁性壳聚糖

首先将0.225g的壳聚糖溶于质量分数为2%的11.25ml乙酸溶液，制得含有壳聚糖的乙酸溶液，然后在机械搅拌的条件下，80℃的条件下，将上述制备的含有壳聚糖的乙酸溶液加入到四氧化三铁悬浮液中，最后将5.5ml质量分数为2%的三聚磷酸钠溶液逐滴加入上述混合液中，持续搅拌10h后，利用磁铁分离，并通过乙醇、清水反复清洗获得固体，真空干燥后即得磁性壳聚糖。

3.制备α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖

将2.25g的α-酮戊二酸加入到含0.75g磁性壳聚糖的125mL乙酸缓冲液中，乙酸缓冲液的乙酸质量分数为1%，并通过0.1mol/LNaOH调节pH至5.0，在搅拌的状态下逐滴缓慢加入硼氢化钠溶液，硼氢化钠和α-酮戊二酸的摩尔比为2.5:1，24h搅拌条件下反应后，利用磁铁进行固液分离，乙醇和乙醚进行反复清洗，冷冻干燥，得α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖。

实施例4

α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖在去除废水中二价镉离子的应用

30mL浓度为100mg/L的含二价镉离子的溶液，pH值为6，加入40mgα-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖，室温且150rpm转速条件下震荡吸附90min，磁性分离，完成吸附，达到去除废水中二价镉离子的目的。

实施例5

回收α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖

将40mg吸附了二价镉离子的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖加入到40mL浓度为0.02mol/L的氢氧化钠溶液中，室温及150rpm转速的震荡条件下，利用磁铁解吸反应120min，清洗至中性，完成固液分离。

分别采用不同pH值的溶液、不同的吸附反应时间或者不同溶液的二价镉离子浓度，测试实施例2制得的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖用于去除水体中镉离子的能力，具体步骤如下：

1.准备8组30mL浓度为100mg/L的含二价镉离子的溶液，并调节pH值分别为1、2、3、4、5、6、7和8，分别加入40mgα-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖，室温且150rpm转速条件下震荡吸附90min，取样，磁性分离5min后，利用原子吸收分光光度计测定溶液中剩余的二价镉离子的浓度。实验结果如图5所示，本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖对二价镉离子的吸附率随着pH的增加呈现先上升后下降的趋势，同时在pH值为6左右达到了最大吸附率，因而，在保证不产生沉淀的情况下，将pH值定为6最佳。

2.准备6组30mL浓度为100mg/L的含二价镉离子的溶液，分别加入40mg实施例2制备的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖，调节pH值为6，室温及150rpm转速条件下进行去除反应，分别于反应时间为5min、10min、20min、30min、60min和90min时取样，磁性分离5min后，进行剩余浓度的测定和计算，结果如图6所示。由图6可知，本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖对二价镉离子的吸附速度快，平衡时间短，30min左右就达到饱和。

3.准备7组30mL、pH为6的含二价镉离子的溶液，分别调节溶液中二价镉离子的初始浓度为10mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L、400mg/L、800mg/L和1000mg/L，分别加入40mg实施例2制备的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖，室温且150rpm转速条件下，震荡吸附90min后，取样，磁性分离5min，完成吸附。对完成吸附的溶液进行二价镉离子剩余浓度的测定和计算，结果如图7所示，由图7可知，本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖对二价镉离子的吸附效果很好，总体随着初始浓度的增加吸附量增大，同时发现在二价镉离子浓度为400mg/L时，吸附效果最佳。

α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖的脱附再生：

本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖，在吸附实验反应完成后，可以利用磁铁分离，氢氧化钠溶液脱附再生，具体包括以下步骤：将40mg实施例2制备的吸附了二价镉离子的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖加入到40mL浓度为0.02mol/L的氢氧化钠溶液中，室温及150rpm转速的震荡条件下，解吸反应120min，然后利用磁铁完成固液分离，60℃干燥后，将解吸后的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖重新用于吸附30mL浓度为100mg/L的含二价镉离子的溶液，然后再用上述浓度的氢氧化钠溶液解吸附，连续进行五次吸附–解吸循环，测定其对二价镉离子的吸附效果。测定结果如图8所示，由图8可知，本发明的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖在连续六次用于二价镉离子吸附后，其吸附效果仍然在85%以上，这充分说明上述制备的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖可以高效重复利用处理水体镉污染问题。

Claims (7)

1.一种α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖在处理含镉重金属离子废水中的应用，其特征是，所述α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖采用以下方法制备得到：将含有壳聚糖的乙酸溶液加入到四氧化三铁悬浮液中，混合，搅拌状态下加入三聚磷酸钠溶液进行共缩聚反应，分离得磁性壳聚糖；然后将α-酮戊二酸加入到含有磁性壳聚糖的乙酸缓冲液中，加入硼氢化钠溶液，分离得到α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖，所述α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖包括四氧化三铁、壳聚糖和α-酮戊二酸，饱和磁化值为20～25emu/g，其中四氧化三铁和壳聚糖制备得到磁性壳聚糖，四氧化三铁和壳聚糖的重量比为1:1.5～2.5，α-酮戊二酸和磁性壳聚糖的重量比为1～4:1，改性的磁性壳聚糖呈网状结构，红外光谱图上出现了Fe-O键，α-酮戊二酸的C-H伸缩振动和羰基官能团峰值，表现出团聚现象；

含有壳聚糖的乙酸溶液中壳聚糖质量浓度为1～2%，三聚磷酸钠溶液的质量浓度为1～2%。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征是，分离方法是加入磁铁或外部磁场吸附被分离的磁性壳聚糖或α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征是，含有磁性壳聚糖的乙酸缓冲液中磁性壳聚糖质量浓度为4～6g/L，硼氢化钠与α-酮戊二酸的摩尔比为1.5～2.5:1。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征是，含有壳聚糖的乙酸溶液中的乙酸和三聚磷酸钠的重量比为1:0.3～0.5。

5.根据权利要求1所述的应用，其特征是，步骤是，将α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖加入到含镉离子废水中，混合均匀，分离，得到吸附了镉离子的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征是，还包括回收α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖的步骤，所述步骤是，将吸附了镉离子的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖加入到无机碱溶液中，震荡，分离，清洗，得到α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征是，所述无机碱溶液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液，浓度为0.01～0.03mol/L，吸附了镉离子的α-酮戊二酸改性的磁性壳聚糖的添加量为0.5～1.5g/L。