CN105056911B - 一种重金属吸附凝胶材料及其环境布阵治理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种重金属吸附凝胶材料，其制备方法包括如下步骤：A）称取碱于反应器中，加磁化水配制成碱液，水浴条件下加入丙烯酸，搅拌，得到中和溶液；B）向所述中和溶液中依次加入交联剂、壳聚糖和引发剂，搅拌，得到待聚合溶液；C）所述待聚合溶液于50～65℃发生聚合反应，洗涤，干燥，得到重金属吸附凝胶材料。本发明属于环境治理技术领域，本发明提供的重金属吸附凝胶材料具有优良的吸附性能，吸附容量大，且其制备的反应条件温和，制备时间较短，进而降低了成本。

Description

一种重金属吸附凝胶材料及其环境布阵治理方法

技术领域

本发明属于环境治理技术领域，尤其涉及一种重金属吸附凝胶材料及其环境布阵治理方法。

背景技术

重金属一般指密度大于4.5克每立方厘米的金属，如铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr)、汞（Hg）和铜（Cu）等。随着全球经济化的迅速发展，含重金属的污染物通过各种途径进入大气、水体和土壤，造成严重的环境污染。重金属具有显著的生物毒性，无法在土壤和水体中被微生物降解，而只能发生各种形态的相互转化、分散或迁移。土壤和水体的重金属污染可影响农作物产量和质量的下降，并可通过食物链危害人类的健康，因此引起世界各国的广泛重视。

现有的重金属去除方法包括化学沉淀法、离子交换法、吸附法、膜过滤法、电化学方法和固相萃取法等。吸附法具有操作简单、成本较低和使用范围广等优点，是重金属去除的常用方法。现有的吸附剂包括活性炭、生物吸附剂、粘土类吸附剂和高分子吸附剂等。其中，活性炭可用于大多数重金属的去除，且吸附能力强，但存在成本昂贵、工艺操作较为复杂的缺点，难以得到广泛的应用。

中国专利申请200910223493.4公开了一种从土壤中萃取重金属离子的方法，采用的重金属吸附凝胶材料包括：纳米碳纤维、活性炭、阳离子表面活性剂、丙烯酰胺、丙烯酸钾、污泥颗粒物和硫化钾，其中的丙烯酰胺和丙烯酸钾作为吸水剂，活性炭、碳纳米纤维和阳离子表面活性剂作为吸附剂，吸附剂的成分复杂，成本较高。

中国专利申请201310397252.8公开了一种吸附重金属的凝胶囊材的制备方法，该方法包括如下步骤：氢氧化钠或氢氧化钾加水配制成碱液，加入丙烯酸，搅拌混匀，再依次加入交联剂和引发剂，搅拌反应，再加入硅藻土，搅拌混匀，聚合反应，洗涤，干燥，研磨，得到凝胶囊材。该凝胶囊材具有较好的重金属吸附能力，但制备的反应温度较高，时间较长，对部分重金属离子（如镉离子）的吸附效果不是非常理想。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，发明人通过大量试验对重金属吸附凝胶材料的制备方法进行探索，预料不到的发现：通过使用磁化水，可显著改善反应条件，得到一种新的重金属吸附凝胶材料，且该产物具有优良的吸附性能，吸附容量大。基于上述发现，从而完成本发明。

本发明提供一种重金属吸附凝胶材料，所述重金属吸附凝胶材料的制备方法包括如下步骤：

A）称取8～25重量份数的碱于反应器中，加磁化水配制成碱液，水浴条件下加入20～45重量份数的丙烯酸，搅拌，得到中和溶液；

B）向所述中和溶液中依次加入35～55重量份数的交联剂、20~35重量份数的壳聚糖和70～90重量份数的引发剂，搅拌，得到待聚合溶液；

C）所述待聚合溶液于50～65℃发生聚合反应，洗涤，干燥，得到重金属吸附凝胶材料。

采用上述技术方案，重金属吸附凝胶材料的制备温度较低，50℃即可发生聚合反应，制备时间较短，制得的吸附凝胶材料具有优良的吸附性能，尤其是对镉离子也具有非常优良的吸附性能，吸附容量大。

优选地，所述磁化水由去离子水经钕铁硼磁体磁化得到，所述钕铁硼磁体的磁感应强度为3000～8000高斯。磁化水是将去离子水通过磁场，垂直穿过磁力线，使去离子水获得一定磁感应强度，得以磁化。去离子水经磁化后，其分子空间结构发生变化，水分子氢氧键键角缩小，由104.5⁰变为103⁰，偶极矩发生偏转，从而水的顺磁性得到加强，渗透性和溶解性增大，表面张力显著降低。

优选地，所述钕铁硼磁体的磁感应强度为5000高斯。

优选地，所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钠和三乙醇胺的混合物或氢氧化钾和三乙醇胺的混合物。

更优选地，所述氢氧化钠和三乙醇胺的混合物中，氢氧化钠和三乙醇胺的重量比为3~6：1；所述氢氧化钾和三乙醇胺的混合物中，氢氧化钾和三乙醇胺的重量比为3~6：1。

优选地，所述聚合反应的反应时间为1~3h。

优选地，所述交联剂为双丙烯酰胺或水溶性酚醛树脂。

优选地，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾或过硫酸钠。

相应地，本发明还提供重金属吸附凝胶材料的制备方法，包括如下步骤：

A）称取8～25重量份数的碱于反应器中，加磁化水配制成碱液，水浴条件下加入20～45重量份数的丙烯酸，搅拌，得到中和溶液；

B）向所述中和溶液中依次加入35～55重量份数的交联剂、20~35重量份数的壳聚糖和70～90重量份数的引发剂，搅拌，得到待聚合溶液；

C）所述待聚合溶液于50～65℃发生聚合反应，洗涤，干燥，得到重金属吸附凝胶材料。

此外，本发明还提供了重金属吸附凝胶材料的环境布阵治理方法，包括如下步骤：

A）布阵阶段：分析环境条件，确定投放重金属吸附凝胶材料的布阵点密度、布阵点深度和用量，制作含有重金属吸附凝胶材料的投放单体；

B）吸附阶段：将投放单体投放至布阵点，吸附重金属离子；

C）移除阶段：分析环境条件，移除布阵点的吸附物投放单体；

D）回收和再利用阶段：为了防止二次污染的情况发生，通过物理、化学或生物的方法将吸附物投放单体中的重金属离子解析出来再利用，解析后的吸附物投放单体干燥粉碎后用于制备人造石材。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供一种新的重金属吸附凝胶材料，具有优良的吸附性能，吸附容量大，且其制备的反应条件温和，制备时间较短，进而降低了成本。此外，本发明还提供了重金属吸附凝胶材料的环境布阵治理方法，通过使用本发明提供的重金属吸附凝胶材料，可有效去除重金属离子，且可防止投放单体填埋所带来的二次污染隐患，实现了回收利用，环境效益好。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例一重金属吸附凝胶材料

称取5重量份数的氢氧化钠、1重量份数的三乙醇胺于反应器中，加磁化水配制成氢氧化钠浓度为3mol/L的碱液，4℃水浴条件下加入20重量份数的丙烯酸，搅拌，得到中和溶液；向中和溶液中依次加入38重量份数的双丙烯酰胺、25重量份数的壳聚糖和70重量份数的过硫酸铵，搅拌，得到待聚合溶液；待聚合溶液于55℃发生聚合反应2h，去离子水洗涤，干燥，得到重金属吸附凝胶材料。所述磁化水由去离子水经钕铁硼磁体磁化得到，所述钕铁硼磁体的磁感应强度为5000高斯。

实施例二重金属吸附凝胶材料

称取10重量份数的氢氧化钠、2重量份数的三乙醇胺于反应器中，加磁化水配制成氢氧化钠浓度为3mol/L的碱液，0℃水浴条件下加入38重量份数的丙烯酸，搅拌，得到中和溶液；向中和溶液中依次加入55重量份数的水溶性酚醛树脂、45重量份数的壳聚糖和90重量份数的过硫酸铵，搅拌，得到待聚合溶液；待聚合溶液于60℃发生聚合反应2h，去离子水洗涤，干燥，得到重金属吸附凝胶材料。所述磁化水由去离子水经钕铁硼磁体磁化得到，所述钕铁硼磁体的磁感应强度为3000高斯。

实施例三重金属吸附凝胶材料

称取6重量份数的氢氧化钠于反应器中，加磁化水配制成3mol/L的碱液，4℃水浴条件下加入20重量份数的丙烯酸，搅拌，得到中和溶液；向中和溶液中依次加入38重量份数的双丙烯酰胺、25重量份数的壳聚糖和70重量份数的过硫酸钠，搅拌，得到待聚合溶液；待聚合溶液于55℃发生聚合反应2h，去离子水洗涤，干燥，得到重金属吸附凝胶材料。所述磁化水由去离子水经钕铁硼磁体磁化得到，所述钕铁硼磁体的磁感应强度为5000高斯。

对比例一

称取5重量份数的氢氧化钠、1重量份数的三乙醇胺于反应器中，加磁化水配制成氢氧化钠浓度为3mol/L的碱液，4℃水浴条件下加入20重量份数的丙烯酸，搅拌，得到中和溶液；向中和溶液中依次加入38重量份数的双丙烯酰胺、25重量份数的壳聚糖和70重量份数的过硫酸铵，搅拌，得到待聚合溶液；待聚合溶液于55℃发生聚合反应2h，去离子水洗涤，干燥，得到重金属吸附凝胶材料。所述磁化水由去离子水经钕铁硼磁体磁化得到，所述钕铁硼磁体的磁感应强度为2000高斯。

对比例二

称取5重量份数的氢氧化钠、1重量份数的三乙醇胺于反应器中，加去离子水配制成氢氧化钠浓度为3mol/L的碱液，4℃水浴条件下加入20重量份数的丙烯酸，搅拌，得到中和溶液；向中和溶液中依次加入38重量份数的双丙烯酰胺、25重量份数的壳聚糖和70重量份数的过硫酸铵，搅拌，得到待聚合溶液；待聚合溶液于55℃发生聚合反应2h，去离子水洗涤，干燥，得到重金属吸附凝胶材料。

对比例三

称取5重量份数的氢氧化钠、1重量份数的三乙醇胺于反应器中，加磁化水配制成氢氧化钠浓度为3mol/L的碱液，4℃水浴条件下加入20重量份数的丙烯酸，搅拌，得到中和溶液；向中和溶液中依次加入38重量份数的双丙烯酰胺、25重量份数的硅藻土和70重量份数的过硫酸铵，搅拌，得到待聚合溶液；待聚合溶液于55℃发生聚合反应2h，去离子水洗涤，干燥，得到重金属吸附凝胶材料。所述磁化水由去离子水经钕铁硼磁体磁化得到，所述钕铁硼磁体的磁感应强度为5000高斯。

实施例四重金属吸附凝胶材料的环境布阵治理方法

重金属吸附凝胶材料的环境布阵治理方法，包括如下步骤：

A）布阵阶段：分析环境条件，确定投放重金属吸附凝胶材料的布阵点密度、布阵点深度和用量，制作含有实施例一制得的重金属吸附凝胶材料的投放单体；

B）吸附阶段：将投放单体投放至布阵点，吸附重金属离子；

C）移除阶段：分析环境条件，移除布阵点的吸附物投放单体；

D）回收和再利用阶段：为了防止二次污染的情况发生，通过物理、化学或生物的方法将吸附物投放单体中的重金属离子解析出来再利用，解析后的吸附物投放单体干燥粉碎后用于制备人造石材。

吸附效果实施例

将实施例一至实施例三制得的重金属吸附凝胶材料分别用代号为1#、2#和3#表示，将对比例一至对比例三制得的重金属吸附凝胶材料分别用代号4#、5#和6#表示。对制得的重金属吸附凝胶材料1#至6#在同一条件下进行性能测试，结果如表1所示：

从表1可知，重金属吸附凝胶材料1#至3#的重金属吸附容量远高于重金属吸附凝胶材料4#至6#的重金属吸附容量，其中重金属吸附凝胶材料1#的吸附容量最高。

用不同重金属试剂配制模拟的重金属污水，测试重金属吸附凝胶材料1#至6#对重金属的吸附效果。模拟污水中金属离子Cu²⁺、Pb²⁺、Cr³⁺、Cd²⁺、Hg²⁺浓度均为100mg/L。分别称取2g重金属吸附凝胶材料1#至6#，分别加入50mL模拟污水中，振荡1.5h后，过滤，采用原子吸收分光光度计测定滤液中Cu²⁺、Pb²⁺、Cr³⁺、Cd²⁺、Hg²⁺的含量，计算去除率，结果见表2。

从表2可知，重金属吸附凝胶材料1#至3#对污水中的各种重金属离子都具有很好的吸附去除效果，优于重金属吸附凝胶材料4#至6#的去除效果。

将重金属吸附凝胶材料1#用于某污水处理厂污泥的处理，投加量为2g/kg污泥，检验方法依据CJ/T221-2005城市污水处理厂污泥检验方法，吸附处理2h的效果如表3所示。

从表3可知，重金属吸附凝胶材料1#对污泥中的各种金属离子都具有较好的吸附去除效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种重金属吸附凝胶材料，其特征在于：所述重金属吸附凝胶材料的制备方法包括如下步骤：

A）称取8～25重量份数的碱于反应器中，加磁化水配制成碱液，水浴条件下加入20～45重量份数的丙烯酸，搅拌，得到中和溶液；

B）向所述中和溶液中依次加入35～55重量份数的交联剂、20~35重量份数的壳聚糖和70～90重量份数的引发剂，搅拌，得到待聚合溶液；

C）所述待聚合溶液于50～65℃发生聚合反应，洗涤，干燥，得到重金属吸附凝胶材料；

所述磁化水由去离子水经钕铁硼磁体磁化得到，所述钕铁硼磁体的磁感应强度为3000～8000高斯。

2.根据权利要求1所述的重金属吸附凝胶材料，其特征在于：所述钕铁硼磁体的磁感应强度为5000高斯。

3.根据权利要求1所述的重金属吸附凝胶材料，其特征在于：所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钠和三乙醇胺的混合物或氢氧化钾和三乙醇胺的混合物。

4.根据权利要求3所述的重金属吸附凝胶材料，其特征在于：所述氢氧化钠和三乙醇胺的混合物中，氢氧化钠和三乙醇胺的重量比为3~6：1；所述氢氧化钾和三乙醇胺的混合物中，氢氧化钾和三乙醇胺的重量比为3~6：1。

5.根据权利要求1所述的重金属吸附凝胶材料，其特征在于：所述聚合反应的反应时间为1~3h。

6.根据权利要求1所述的重金属吸附凝胶材料，其特征在于：所述交联剂为双丙烯酰胺或水溶性酚醛树脂。

7.根据权利要求1所述的重金属吸附凝胶材料，其特征在于：所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾或过硫酸钠。

8.根据权利要求1所述的重金属吸附凝胶材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

A）称取8～25重量份数的碱于反应器中，加磁化水配制成碱液，水浴条件下加入20～45重量份数的丙烯酸，搅拌，得到中和溶液；

B）向所述中和溶液中依次加入35～55重量份数的交联剂、20~35重量份数的壳聚糖和70～90重量份数的引发剂，搅拌，得到待聚合溶液；

C）所述待聚合溶液于50～65℃发生聚合反应，洗涤，干燥，得到重金属吸附凝胶材料。

9.根据权利要求1所述的重金属吸附凝胶材料的环境布阵治理方法，其特征在于：包括如下步骤：

A）布阵阶段：分析环境条件，确定投放重金属吸附凝胶材料的布阵点密度、布阵点深度和用量，制作含有重金属吸附凝胶材料的投放单体；

B）吸附阶段：将投放单体投放至布阵点，吸附重金属离子；

C）移除阶段：分析环境条件，移除布阵点的吸附物投放单体；

D）回收和再利用阶段：为了防止二次污染的情况发生，通过物理、化学或生物的方法将吸附物投放单体中的重金属离子解析出来再利用，解析后的吸附物投放单体干燥粉碎后用于制备人造石材。