CN103920466B

CN103920466B - 一种改性苎麻纤维吸附剂的制备方法与应用

Info

Publication number: CN103920466B
Application number: CN201410185855.6A
Authority: CN
Inventors: 孙志超; 刘云国; 黄沅清; 谭小飞; 胡新将
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2014-05-05
Filing date: 2014-05-05
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2034-05-05
Also published as: CN103920466A

Abstract

本发明涉及一种改性苎麻纤维吸附剂的制备方法与应用，具体步骤为：(1)苎麻纤维原材料的预处理：将苎麻纤维粉碎、过筛、去蜡质和碱化后备用；(2)螯合剂合成酸酐：加入螯合剂EGTA于醋酸酐和激活剂的混合有机溶液中，在65℃下搅拌反应，过滤干燥后备用；(3)酸酐改性苎麻纤维：将预处理后的苎麻纤维粉末与合成的酸酐加入激活剂溶液中，于75℃下搅拌反应，经过洗涤、干燥即可获得该改性苎麻纤维吸附剂。该吸附剂改性效果好，吸附剂吸附容量大(对镉离子的最大吸附量为159mg/g，对铅离子的最大吸附量为274mg/g)，吸附速度快，可在10min内达到吸附平衡，可重复利用且无二次污染，特别适合处理高浓度重金属工业废水。

Description

一种改性苎麻纤维吸附剂的制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种改性苎麻纤维吸附剂的制备方法与应用。具体来说，属于螯合剂改性苎麻纤维制备水处理吸附材料技术领域。

背景技术

目前中国由于在重金属的开采、冶炼、加工过程中，造成不少重金属等进入水中引起严重的环境污染。重金属具有富集性，很难在环境中降解，容易在水体中富集，并通过食物链传到人体中，对人体会造成很大的危害。

吸附是一种有效的去除水中重金属的方法,广泛的用于工业废水中重金属离子的去除。活性炭、石墨烯、壳聚糖和水滑石等常被用作吸附剂，但这些吸附剂大多存在不可再生和不可生物降解等问题。因此，天然材料由于可再生和生物降解性吸引了越来越多的学者对其吸附重金属的特性的研究。纤维素被认为是自然界中最丰富的可再生天然材料，因此有许多的文献研究改性纤维素对重金属的吸附特性。

苎麻，号称为“中国草”，是多年生宿根性草本植物，是重要的纺织纤维作物。各种麻类纤维中，苎麻纤维最长，强力最大，且纤维素含量高达68.6～76.2％，是世界公认的“天然纤维之王”。苎麻纤维中间有沟状空腔，管壁多孔隙，且含有较多游离的醇羟基，通过螯合反应可引入具有螯合重金属性质的基团，成为一种具有较强吸附性能的改性生物吸附剂，从而净化重金属污染废水。

发明内容

本发明的目的是制备一种改性苎麻纤维吸附剂的制备方法，采用该方法制备的吸附剂具有使用简单、吸附速度快、吸附容量大、无二次污染且能重复使用的生物吸附剂，以解决上述水中重金属污染问题。

为实现上述技术目的，本发明提供一种改性苎麻纤维吸附剂的制备方法，具体步骤为：

a、苎麻纤维原材料的去蜡质处理；

b、将去蜡质苎麻纤维置于氢氧化钠水溶液中进行碱化处理；

c、螯合剂乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸(EGTA)合成乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸二酐反应；

d、乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸二酐改性苎麻纤维。

上述制备方法中，所述的苎麻纤维原材料的预处理方法是：将苎麻纤维烘干或晒干、粉碎和过50～80目筛后，加入至正己烷与乙醇的体积比为1:1的有机溶剂中，有机溶剂用量为8～20mL/1g，得到去蜡质的苎麻纤维粉末。

上述制备方法中，所述的氢氧化钠水溶液浓度为1～4mol/L。

上述制备方法中，所述螯合剂EGTA合成乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸二酐的方法是：将21～24g EGTA加入至含乙酸酐20～26mL和吡啶35～45mL的有机溶液中，于60～70℃下隔绝空气搅拌16～24h，过滤后用冰醋酸、乙醚冲洗，真空干燥后即得乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸二酐。

上述制备方法中，所述的乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸二酐改性苎麻纤维的方法是：将3～6g经碱化处理的苎麻纤维粉末加入含N,N-二甲基甲酰胺25～40mL和吡啶25～40mL的有机溶液中，再加入6～12g乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸二酐，于70～80℃下隔绝空气搅拌14～20h，过滤后用N,N-二甲基甲酰胺、去离子水、饱和碳酸氢钠溶液、去离子水、95％的乙醇和丙酮依次冲洗所述改性苎麻纤维吸附剂，真空干燥后得所述的改性苎麻纤维吸附剂。

上述制备方法中，所述的真空干燥温度为60～80℃，时间为1～3h。

上述制备方法中，所述苎麻纤维吸附剂用于吸附废水中Cd²⁺、Pb²⁺重金属离子。其添加量为每升废水添加1.5～3.0g，废水的温度为25～40℃。

上述制备方法中，废水Cd²⁺浓度控制在20～200mg/L，Pb²⁺浓度控制在20～300mg/L,pH控制在3～7。

本发明的有益效果是：

(1)本发明原料苎麻纤维廉价易得，来源广泛，相对于传统的重金属吸附剂，其生产工艺简单，容易操作，吸附效率高，可生物降解而且无二次污染。

(2)本发明改性效果好，吸附剂吸附容量大(对镉离子的最大吸附量为159mg/g，对铅离子的最大吸附量为274mg/g)，吸附速度快(镉离子、铅离子可在10min内达到吸附平衡)，特别适合处理高浓度重金属工业废水。

(3)本发明吸附剂解析和再生效果好，可重复使用。

附图说明

图1为实施例1制备的改性苎麻纤维吸附剂的扫描电镜图片。其中图1(a,b)为未改性的苎麻纤维微观形貌，图1(c,d)为碱化后的苎麻纤维微观形貌，图1(e,f)为改性后苎麻纤维吸附剂的微观形貌。

具体实施方式

实施例1：

将苎麻纤维用去离子水洗净、烘干、粉碎和过50目筛后，加入至8mL/1g正己烷/乙醇(1:1,v/v)有机溶剂中进行去蜡质处理，浸泡3h后，用去离子水洗净烘干后，得到去蜡质的苎麻纤维粉末。取去蜡质的苎麻纤维粉末放入1mol/L氢氧化钠水溶液中进行碱化处理。然后用去离子水洗至pH为7。将21g乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸加入至含乙酸酐20mL和吡啶30mL的有机溶液中于60℃下隔绝空气搅拌16h，过滤后用冰醋酸、乙醚冲洗，真空干燥后得到乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸二酐。将3g经碱化处理的苎麻纤维粉末加入含N,N-二甲基甲酰胺25mL和吡啶25mL的有机溶液中，再加入6g酸酐，于70℃下隔绝空气搅拌14h，过滤后用N,N-二甲基甲酰胺、去离子水、饱和碳酸氢钠溶液、去离子水、95％的乙醇和丙酮依次冲洗所述改性苎麻纤维吸附剂，60℃真空干燥3h后得所述的改性苎麻纤维吸附剂。

分别取50mL浓度为200mg/L的硝酸镉溶液和50mL浓度为300mg/L的硝酸铅溶液于150mL锥形瓶中，将溶液pH调节为4.0，分别加入100mg苎麻纤维吸附剂，于25℃下恒温震荡，取样时间为(1,3,5,10,15,30,45,60,90,120min)。根据以下公式计算出吸附量：

q_{t} = \frac{(C_{0} - C_{t}) V}{m} (m g / g)

其中，q_t为吸附量，C₀为初始浓度，C_t为吸附后剩余浓度，V为溶液体积，m为吸附剂质量。

根据公式计算出镉离子的平衡时间为10min吸附量为135mg/g，铅离子的平衡时间为10min吸附量为253mg/g。

实施例2：

将苎麻纤维用去离子水洗净、烘干、粉碎和过60目筛后，加入至12mL/1g正己烷/乙醇(1:1,v/v)有机溶剂中进行去蜡质处理，浸泡3h后，用去离子水洗净烘干后，得到去蜡质的苎麻纤维粉末。取去蜡质的苎麻纤维粉末放入2mol/L氢氧化钠水溶液中进行碱化处理。然后用去离子水洗至pH为7。将22g乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸加入至含乙酸酐22mL和吡啶35mL的有机溶液中于63℃下隔绝空气搅拌18h，过滤后用冰醋酸、乙醚冲洗，真空干燥后得到乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸二酐。将4g经碱化处理的苎麻纤维粉末加入含N,N-二甲基甲酰胺30mL和吡啶30mL的有机溶液中，再加入8g酸酐，于73℃下隔绝空气搅拌16h，过滤后用N,N-二甲基甲酰胺、去离子水、饱和碳酸氢钠溶液、去离子水、95％的乙醇和丙酮依次冲洗所述改性苎麻纤维吸附剂，70℃真空干燥2h后得所述的改性苎麻纤维吸附剂。

分别取50mL浓度从20～500mg/L的硝酸镉溶液和浓度从20～600mg/L的硝酸铅溶液于150mL锥形瓶中，将溶液pH调节为4.0，然后在每个锥形瓶中加入100mg实施例1得到的苎麻纤维吸附剂，于25℃下恒温震荡1h，直至吸附平衡为止。

结果：镉离子的最大吸附量为159mg/g，铅离子的最大吸附量为274mg/g。

实施例3：

将苎麻纤维用去离子水洗净、烘干、粉碎和过70目筛后，加入至16mL/1g正己烷/乙醇(1:1,v/v)有机溶剂中进行去蜡质处理，浸泡3h后，用去离子水洗净烘干后，得到去蜡质的苎麻纤维粉末。取去蜡质的苎麻纤维粉末放入3mol/L氢氧化钠水溶液中进行碱化处理。然后用去离子水洗至pH为7。将23g乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸加入至含乙酸酐24mL和吡啶40mL的有机溶液中于67℃下隔绝空气搅拌21h，过滤后用冰醋酸、乙醚冲洗，真空干燥后得到乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸二酐。将5g经碱化处理的苎麻纤维粉末加入含N,N-二甲基甲酰胺35mL和吡啶35mL的有机溶液中，再加入10g酸酐，于77℃下隔绝空气搅拌18h，过滤后用N,N-二甲基甲酰胺、去离子水、饱和碳酸氢钠溶液、去离子水、95％的乙醇和丙酮依次冲洗所述改性苎麻纤维吸附剂，75℃真空干燥2h后得所述的改性苎麻纤维吸附剂。

分别取50mL浓度从20～500mg/L的硝酸镉溶液和浓度从20～600mg/L的硝酸铅溶液于150mL锥形瓶中，将废水pH调节为4.0，然后在每个锥形瓶中加入100mg实施例1得到的苎麻纤维吸附剂，于40℃下恒温震荡1h，直至吸附平衡为止。

结果：镉离子的最大吸附量为186mg/g，铅离子的最大吸附量为295mg/g。

试验例4：

将苎麻纤维用去离子水洗净、烘干、粉碎和过80目筛后，加入至20mL/1g正己烷/乙醇(1:1,v/v)有机溶剂中进行去蜡质处理，浸泡3h后，用去离子水洗净烘干后，得到去蜡质的苎麻纤维粉末。取去蜡质的苎麻纤维粉末放入4mol/L氢氧化钠水溶液中进行碱化处理。然后用去离子水洗至pH为7。将24g乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸加入至含乙酸酐26mL和吡啶50mL的有机溶液中于70℃下隔绝空气搅拌24h，过滤后用冰醋酸、乙醚冲洗，真空干燥后得到乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸二酐。将6g经碱化处理的苎麻纤维粉末加入含N,N-二甲基甲酰胺40mL和吡啶40mL的有机溶液中，再加入12g酸酐，于80℃下隔绝空气搅拌20h，过滤后用N,N-二甲基甲酰胺、去离子水、饱和碳酸氢钠溶液、去离子水、95％的乙醇和丙酮依次冲洗所述改性苎麻纤维吸附剂，80℃真空干燥1h后得所述的改性苎麻纤维吸附剂。

分别取5份50mL浓度为200mg/L的硝酸镉溶液和50mL浓度为300mg/L的硝酸铅溶液于150mL锥形瓶中，将硝酸镉溶液pH分别调节为2.5、3.5、4.5、5.5、6.5，将硝酸铅溶液pH分别调节为1.5、2.5、3.5、4.5、5.5，分别取100mg实施例1得到的苎麻纤维吸附剂于各个锥形瓶中，于25℃下恒温震荡1h，直至吸附平衡为止。根据试验例1的公式计算出吸附量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种改性苎麻纤维吸附剂的制备方法，其特征在于，该制备方法按以下步骤进行：

a、苎麻纤维原材料的去蜡质处理；

b、将去蜡质苎麻纤维置于氢氧化钠水溶液中进行碱化处理；

d、乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸二酐改性苎麻纤维。

2.根据权利要求1所述的一种改性苎麻纤维吸附剂的制备方法，其特征在于所述的苎麻纤维原材料的预处理方法是：将苎麻纤维烘干或晒干、粉碎和过50～80目筛后，加入至正己烷与乙醇的体积比为1:1的有机溶剂中，有机溶剂用量为8～20mL/1g，得到去蜡质的苎麻纤维粉末。

3.根据权利要求1所述的一种改性苎麻纤维吸附剂的制备方法，其特征在于所述的氢氧化钠水溶液浓度为1～4mol/L。

4.根据权利要求1所述的一种改性苎麻纤维吸附剂的制备方法，其特征在于所述螯合剂EGTA合成乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸二酐的方法是：将21～24g EGTA加入至含乙酸酐20～26mL和吡啶30～45mL的有机溶液中，于60～70℃下隔绝空气搅拌16～24h，过滤后用醋酸酐、乙醚冲洗，真空干燥后即得乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸二酐。

5.根据权利要求1所述的一种改性苎麻纤维吸附剂的制备方法，其特征在于所述乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸二酐改性苎麻纤维的方法是：将3～6g经碱化处理的苎麻纤维粉末加入含N,N-二甲基甲酰胺25～40mL和吡啶25～40mL的有机溶液中，再加入6～12g乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸二酐，于70～80℃下隔绝空气搅拌14～20h，过滤后用N,N-二甲基甲酰胺、去离子水、饱和碳酸氢钠溶液、去离子水、95％的乙醇和丙酮依次冲洗所述改性苎麻纤维吸附剂，真空干燥后得所述的改性苎麻纤维吸附剂。

6.根据权利要求4或5所述的一种改性苎麻纤维吸附剂的制备方法，其特征在于所述的真空干燥温度为60～80℃，时间为1～3h。

7.根据权利要求1所述的制备方法制备得到的改性苎麻纤维吸附剂的应用，其特征在于，将所述苎麻纤维吸附剂用于吸附废水中Cd²⁺、Pb²⁺重金属离子，其添加量为每升废水添加1.5～3.0g，废水的温度为25～40℃。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述废水Cd²⁺浓度为20～200mg/L，Pb²⁺浓度为20～300mg/L,所述废水pH控制在3～7。