CN103769059A - 植物秸秆表面印迹吸附材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了植物秸秆表面印迹吸附材料及其制备方法。首先将植物秸秆依次经过NaOH溶液预处理和硅烷偶联剂改性后，然后将改性秸秆、功能单体、交联剂、引发剂在无水乙醇中混合均匀，在氮气保护下反应，得到表面印迹吸附材料。本发明不仅实现了农业废弃物的回收利用，而且得到的吸附材料的稳定性和再生性能好，对重金属离子的吸附速度快，可广泛应用于重金属离子废水的处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种植物秸秆表面印迹吸附材料及其制备方法，属于废物资源化及环保技术领域。
背景技术
重金属离子废水主要来自电镀、采矿、冶炼、化工等部门，在天然环境中能够长期存在，即使浓度很低也可产生毒性，给生命带来严重威胁。传统的重金属离子废水处理方法有氧化还原法、化学沉淀法、离子交换法、电解法、膜分离法和溶剂萃取法等。这些方法大多存在投资大、运行成本高、操作管理麻烦，并且会产生二次污染等问题。而吸附法具有操作简单、投资费用少、无二次污染等优点，被认为是最有效的方法之一。
吸附法的核心在于吸附材料的选择。作为一种高效的重金属离子吸附材料，要求吸附能力强、化学稳定性好、易再生且价廉易得。传统吸附材料如活性炭等因为价格贵、使用寿命低、操作费用高等缺点，使其应用受到限制。而生物质类吸附材料因其廉价易得，且可实现废物再利用，得到广泛关注。
我国秸秆资源非常丰富，每年产量达数亿吨，将秸秆应用于水处理领域，制备高效环保的吸附材料极具经济和社会价值。秸秆是成熟农作物茎叶部分的总称。通常指水稻、小麦、玉米、棉花、薯类、甘蔗等农作物在收获籽实后的剩余部分，是一类农业废弃物。由于秸秆富含氮、磷、钾等元素，以及纤维素和木质素等有机物质，是一种具有多用途的可再生资源。
随着我国农业生产的发展，粮食产量大幅提高，秸秆数量随之增多，加之省柴节煤技术的推广，使得农村中产生大量的富余秸秆。目前秸秆的主要处理方式是直接还田或者焚烧。这不仅造成资源的极大浪费，而且燃烧过程中会产生CO、SO2等有毒气体，以及大量的可吸入颗粒物，给人类健康带来危害，同时造成环境污染。因此，大力推广农作物秸秆利用新技术，将秸秆变废为宝，不仅可以保护农村生态环境，而且可以满足农业可持续发展的迫切要求。
离子印迹聚合物是一种对模板离子具有特异识别功能的高分子聚合物，在使用过程中能够抵抗酸碱、高温、有机溶剂等不利影响，在环境污染化学等领域应用广泛。从离子印迹聚合物出现至今，其制备方法已经从早期的本体聚合发展到沉淀聚合、乳液聚合、表面聚合等多种制备方法。其中表面印迹方法由于在载体表面发生聚合反应，形成的活性位点均位于材料表面，因此对模板离子表现出较快的吸附速度，且选择性识别能力较强。当吸附饱和后，又很容易将模板离子洗脱出来，再生性能好。与传统的制备方法相比，避免了操作过程繁琐、劳动强度大、产率较低等缺点。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种植物秸秆表面印迹吸附材料及其制备方法。本发明采用植物秸秆作为载体材料，通过表面印迹技术制备的吸附材料具有吸附速度快、吸附量高、选择吸附性强等优点。
技术方案：
本发明的一种植物秸秆表面印迹吸附材料，是将经过预处理和改性后的植物秸秆作为表面印迹的载体材料，选用金属离子作为模板离子，通过表面印迹技术制备而成。这种吸附材料的制备方法包含如下步骤：(1)植物秸秆的预处理：将植物秸秆清洗、烘干、粉碎，取粒径为40～60目的粉末在质量分数为5％～15％的NaOH溶液中浸泡搅拌5～10小时后抽滤，洗涤至中性并真空干燥；植物秸秆粉末与NaOH溶液的质量体积(g：mL)比为1∶20～40；(2)植物秸秆的改性：将5～10g预处理后的植物秸秆粉末加入到200～300mL体积比为1∶1乙醇和水的混合溶剂中搅拌，然后加入5～10mL硅烷偶联剂3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷，在40～60℃条件下反应20～30小时，反应结束后将产物在索氏提取器中用乙醇洗涤，除去未反应的硅烷偶联剂，最后真空干燥25～30小时，得到改性植物秸秆；(3)表面印迹吸附材料的制备：将1g改性植物秸秆，1～5g功能单体和0.5～3g金属盐加入30～150mL无水乙醇中，剧烈搅拌，使得功能单体、模板离子和改性植物秸秆充分混合均匀；然后加入3～15g交联剂，0.1～0.5g引发剂，通氮气保护30分钟，经紫外光辐照20～60分钟后，过滤收集固体材料，最后采用0.1～2.0mol/L盐酸去除模板离子，抽滤并真空干燥后得到表面印迹吸附材料。
其中功能单体是丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸-2-羟基异丙酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N，N’-二甲基丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸中的一种。交联剂是乙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙二醇二甲基丙烯酸酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺中的一种。引发剂是硫杂蒽酮类化合物、二苯甲酮类化合物、烷基苯酮类化合物、苯偶酰类化合物、酰基磷氧化物、苯偶姻及其衍生物中的一种。金属盐是硝酸盐、醋酸盐、氯化物、硫酸盐或硫代硫酸盐中的一种；金属离子为镉、铬、锌、铅、铜、钴、镍、汞、银或铁中的一种。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明采用农业废弃物植物秸秆为原料，该原料来源广泛、价格低廉。而且植物秸秆为天然高分子材料，具有生物可降解性，且本身无毒性，不会对水体产生二次污染；
2.本发明的实施有助于减少植物秸秆等固体废弃物的排放量，并在一定程度上缓解了由于秸秆焚烧而造成的大气污染，对环境保护有重要意义；
3.本发明通过表面印迹技术制备的吸附材料，不但对重金属离子的吸附具有选择性，而且对重金属离子的吸附速度快，又容易将模板离子洗脱出来，再生性能好。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
将10g粒径为60目的秸秆粉末在250mL质量分数为10％的NaOH溶液中浸泡搅拌10小时后，抽滤，洗涤至中性并真空干燥。取5g预处理后的秸秆粉末加入到200mL体积比为1∶1乙醇和水的混合溶剂中搅拌，然后加入8mL硅烷偶联剂3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷，在50℃条件下反应20小时，反应结束后将产物在索氏提取器中用乙醇洗涤，除去未反应的硅烷偶联剂，最后真空干燥25小时，得到改性秸秆。将1g改性秸秆，2g甲基丙烯酸和0.5gCu(NO3)2·3H2O加入40mL无水乙醇中，剧烈搅拌，然后加入5g乙二醇二甲基丙烯酸酯，0.1g2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮，通氮气保护30分钟，经紫外光辐照20分钟后，过滤收集固体材料，然后采用1.0mol/L盐酸去除模板离子，抽滤并真空干燥后得到表面印迹吸附材料。将该吸附材料浸泡在0.005mol/L的Cu2+溶液中，在pH为5的条件下，该吸附材料对Cu2+的吸附在5min内达到饱和，去除率达到98％。
实施例2
将10g粒径为60目的秸秆粉末在250mL质量分数为10％的NaOH溶液中浸泡搅拌10小时后，抽滤，洗涤至中性并真空干燥。取5g预处理后的秸秆粉末加入到200mL体积比为1∶1乙醇和水的混合溶剂中搅拌，然后加入8mL硅烷偶联剂3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷，在50℃条件下反应20小时，反应结束后将产物在索氏提取器中用乙醇洗涤，除去未反应的硅烷偶联剂，最后真空干燥25小时，得到改性秸秆。将1g改性秸秆，3.0g丙烯酰胺和0.7gCd(NO3)2·4H2O加入60mL无水乙醇中，剧烈搅拌，然后加入6.0gN，N’二甲基丙烯酰胺，0.15g2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮，通氮气保护30分钟，经紫外光辐照30分钟后，过滤收集固体材料，然后采用1.0mol/L盐酸去除模板离子，抽滤并真空干燥后得到表面印迹吸附材料。将该吸附材料浸泡在0.005mol/L的Cd2+溶液中，在pH为5的条件下，该吸附材料对Cd2+的吸附在5min内达到饱和，去除率达到97％。
Claims (6)
1.植物秸秆表面印迹吸附材料，其特征在于，将经过预处理和改性后的植物秸秆作为表面印迹的载体材料，选用金属离子作为模板离子，通过表面印迹技术制备而成。
2.植物秸秆表面印迹吸附材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包含如下步骤：
(1)植物秸秆的预处理：将植物秸秆清洗、烘干、粉碎，取粒径为40～60目的粉末在质量分数为5％～15％的NaOH溶液中浸泡搅拌5～10小时后抽滤，洗涤至中性并真空干燥；植物秸秆粉末与NaOH溶液的质量体积(g：mL)比为1∶20～40；
(2)植物秸秆的改性：将5～10g预处理后的植物秸秆粉末加入到200～300mL体积比为1∶1的乙醇和水的混合溶剂中搅拌，然后加入5～10mL硅烷偶联剂3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷，在40～60℃条件下反应20～30小时，反应结束后将产物在索氏提取器中用乙醇洗涤，除去未反应的硅烷偶联剂，最后真空干燥25～30小时，得到改性植物秸秆；
(3)表面印迹吸附材料的制备：将1g改性植物秸秆，1～5g功能单体和0.5～3g金属盐加入30～150mL无水乙醇中，剧烈搅拌，使得功能单体、模板离子和改性植物秸秆充分混合均匀；然后加入3～15g交联剂，0.1～0.5g引发剂，通氮气保护30分钟，经紫外光辐照20～60分钟后，过滤收集固体材料，最后采用0.1～2.0mol/L盐酸去除模板离子，抽滤并真空干燥后得到表面印迹吸附材料。
3.根据权利要求2所述的一种植物秸秆表面印迹吸附材料的制备方法，其特征在于，所述的功能单体是丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸-2-羟基异丙酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N，N’-二甲基丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸中的一种。
4.根据权利要求2所述的一种植物秸秆表面印迹吸附材料的制备方法，其特征在于，所述的交联剂是乙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙二醇二甲基丙烯酸酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺中的一种。
5.根据权利要求2所述的一种植物秸秆表面印迹吸附材料的制备方法，其特征在于，所述的引发剂是硫杂蒽酮类化合物、二苯甲酮类化合物、烷基苯酮类化合物、苯偶酰类化合物、酰基磷氧化物、苯偶姻及其衍生物中的一种。
6.根据权利要求2所述的一种植物秸秆表面印迹吸附材料的制备方法，其特征在于，所述的金属盐是硝酸盐、醋酸盐、氯化物、硫酸盐或硫代硫酸盐中的一种；金属离子为镉、铬、锌、铅、铜、钴、镍、汞、银或铁中的一种。
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