CN105944703A

CN105944703A - 一种柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的制备方法

Info

Publication number: CN105944703A
Application number: CN201610502941.4A
Authority: CN
Inventors: 王荣民; 刘亮; 何玉凤; 钱文珍; 王斌; 郝玲霞
Original assignee: Northwest Normal University
Current assignee: Northwest Normal University
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2016-07-01
Publication date: 2016-09-21

Abstract

本发明公开了一种以废弃柚皮为原材料，通过高分子改性制备柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的方法，是将柚皮粉分散于水中，得柚皮粉分散液；将含有羧基官能团的功能单体溶于NaOH水溶液并加入到柚皮粉分散液中，再加入交联剂搅拌0.5~2 h；升温到50~60℃，加入引发剂，然后在惰性气体保护下搅拌反应0.5~1 h；继续升温到65~75℃，再次加入引发剂，继续搅拌反应1~3 h，反应结束后，过滤，洗涤，干燥，研磨，得到柚皮基废弃生物质高分子吸附材料。吸附性能测试结果表明：其对染料亚甲基蓝具有很强的吸附性能，且吸附速率快，能适用于不同环境下的吸附。另外，本发明制备工艺简单、成本低，便于工业化生产。

Description

一种柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种生物质高分子吸附材料的制备，尤其涉及一种以废弃柚皮为原材料，通过高分子改性制备柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的方法，主要用于染料废水中亚甲基蓝等阳离子染料的吸附，属于高分子材料领域和水处理领域。

背景技术

柚子皮（简称柚皮）作为一种农副产品，除具有食用价值外，很少对其进行工业化利用或提取柚皮中的有效成分。但是柚皮具有产量高、生物相容等优点，且是可再生生物质材料，若对其进行简单处理或改性，有望制备廉价而有价值的新型高分子材料。近年来，已经有柚皮作为吸附剂再利用的报道，如：Hameed等（Hameed B.H., Mahmoud D.K., Ahmad A．Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2008, 316(1-3): 78-84.）发现柚皮可直接吸附亚甲基蓝，吸附率可达83.61%；黄冬兰等（黄冬兰，赵奎霞，关智杰等，食品工业科技，2015，36(10): 225-228.）用乙醇、NaOH和MgCl₂处理柚皮，刘仁值等（刘仁植，北京石油化工学院学报，2015，4: 1-5.）利用盐酸羟胺改性柚皮，制得的改性柚皮可用于废水中Cu²⁺的吸附，其吸附率为91.6%，因此吸附性能有待提高。以柚皮为前驱体可制备活性炭材料，并可以作为氨氮吸附剂使用（CN 103521182A）；Foo等（Foo K．Y. ，Hameed B.H., Chem. Eng., 2011, 173(2): 385-390.）以柚皮为前驱体，NaOH为活化剂，通过微波照射的方法制备的柚皮活性炭，虽然吸附亚甲基蓝时的最大吸附容量能达到500 mg/g，但是成本过高。总的来说，虽然已有柚皮再利用的方法与技术，但是效果不是很好或成本较高。

发明内容

本发明目的是提供一种工艺简单、成本低、吸附性能好的柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的制备方法。

一、柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的制备

本发明利用生物质柚皮的天然多孔结构，以含羧基官能团的高分子功能单体，在交联剂和引发剂作用下通过原位聚合的方式，使含羧侧链的功能高分子与天然高分子相结合，得到一种具有良好吸附性能的新型生物质高分子吸附材料。具体制备工艺如下：

柚皮的预处理：将柚皮切成小块，在水中浸泡5~60 min，去除可溶性成分，取出沥干水分后，在40~60℃下烘干，粉碎至80~150目，得到柚皮粉。柚皮可以是湿润新鲜的柚皮，也可以是自然晾干的柚皮。

吸附材料的制备：将柚皮粉分散于水中，得柚皮粉分散液；将含羧基官能团的高分子功能单体溶于NaOH水溶液并加入到柚皮粉分散液中，再加入交联剂搅拌0.5~2 h；升温到50~60℃，加入引发剂，然后在惰性气体保护下搅拌反应0.5~1 h；继续升温到65~75℃，再次加入引发剂，继续搅拌反应1~3 h，反应结束后，过滤，洗涤，干燥，研磨，得到柚皮基废弃生物质高分子吸附材料。

所述含有羧基官能团的高分子功能单体为甲基丙烯酸，柚皮粉与甲基丙烯酸的质量比为1:0.2~1;2。

甲基丙烯酸溶于NaOH溶液后，甲基丙烯酸的中和度为80~100%。

交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺或环氧树脂，交联剂的加入量为柚皮粉质量的1~10%；

引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵；引发剂的加入量为柚皮粉质量的3~9%，其中第一次加入量为柚皮粉质量的1~3%；第二次加入量为柚皮粉质量的2~6%。

二、柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的结构分析

本发明制备的柚皮基废弃生物质高分子吸附材料为灰白色粉末，其外观形貌如图1所示。下面通过扫描电镜、红外光谱等现代仪器手段对上述制备的柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的形貌进行表征分析。

1、扫描电镜分析

采用扫描电镜观测了其微观形貌，结果如图2所示。发现柚皮基废弃生物质高分子吸附材料表面均匀附着一层膜状物，同时保留了柚皮的孔结构。与原料对比后，认为该膜状物为聚甲基丙烯酸或聚丙烯酸。

2、红外谱图分析

测定了柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的红外光谱，结果如图3。在3588 cm^-1处出现了未缔合羟基的伸缩振动峰来源于聚甲基丙烯酸羟基，在3446 cm^-1处出现了缔合羟基的伸缩振动峰归属于柚皮粉中纤维素、半纤维素、木质素天然高分子链上的羟基；在2926 cm^-1附近出现了甲基、亚甲基的C-H伸缩振动峰，在1741 cm^-1处出现了羧羰基（C=O）的伸缩振动峰，来源于聚甲基丙烯酸。说明聚甲基丙烯酸成功改性柚皮粉。

三、柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的吸附性能测试

以亚甲基蓝为典型染料废水，测定了废弃柚皮高分子材料对染料的吸附性能，考察了染料初始浓度、吸附剂用量、温度与pH对吸附剂吸附的性能影响。发现在最佳条件，即亚甲基蓝溶液初始浓度为100 mg/L时去除率最好，达到98.5%，最大吸附容量为638.9 mg/g。同时温度在5~40℃的范围内，吸附剂的吸附性能基本不变，说明温度的变化对该吸附剂的吸附性能没有影响。pH在中性或碱性环境中，吸附剂对亚甲基蓝的吸附效果基本不变，而吸附液的初始pH值为6~7之间，这说明吸附可以直接采用原液，无需调节其pH值。同时实验证明柚皮基废弃生物质高分子吸附材料是一种吸附速率较快的吸附剂（见图4），吸附时间为30 min便达到了平衡状态，这大大节约了废水处理的时间成本。

综上所述，本发明制备的柚皮基废弃生物质高分子吸附材料具有良好的吸附效果，且能适用于不同环境温度下的吸附，有望在废水处理方面得到广泛的应用。另外，本发明制备工艺简单、成本低，便于工业化生产。

附图说明

图1为柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的宏观形貌。

图2为柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的扫描电镜图。

图3为柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的红外光谱图。

图4为柚皮基废弃生物质高分子吸附材料吸附时间对亚甲基蓝吸附性能的影响。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明为柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的制备和对溶液中亚甲基蓝的吸附性能作进一步说明。

实施例1

柚皮的预处理：将柚皮切成小块，在水中浸泡5~60 min，取出沥干水分后，在40~60℃下烘干，粉碎至80~150目，得到柚皮粉。

吸附材料的制备：将2.0 g柚皮粉加入15 mL蒸馏水中，搅拌分散15 min，得到柚皮粉分散液；将1 g甲基丙烯酸溶于10 mL氢氧化钠水溶液（其中，含氢氧化钠0.5 g），并加入到柚皮粉分散液中，再加入0.02 g交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌分散2 h，升温到60℃；加入0.04 g过硫酸钾，在氮气保护下搅拌反应1 h，升温到70℃，再次加入0.1 g过硫酸钾，搅拌反应2 h，过滤，产物洗涤3~5次，然后在60℃下干燥5~8 h，研磨，过100目筛，得到柚皮基废弃生物质高分子吸附材料。

吸附材料在亚甲基蓝溶液初始浓度为100 mg/L时的去除率达到98.5%，最大吸附容量为638.9 mg/g。

实施例2

柚皮的预处理：同实施例1；

吸附材料的制备：将1.5 g柚皮粉加入15 mL蒸馏水中，搅拌15 min，得到柚皮粉分散液；将1.0 g甲基丙烯酸溶于10 mL氢氧化钠水溶液（其中，含氢氧化钠0.4 g），并加入到柚皮粉分散液中，再加入0.02 g 交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌分散2 h；升温到60℃，加入0.03 g过硫酸钾，在氮气保护下，搅拌反应1 h；升温到70℃，再加入0.05 g过硫酸钾，搅拌反应2 h，过滤，所得产物用水洗涤3-5次，然后在60℃下干燥5~8 h，研磨，过100目筛，得到柚皮基废弃生物质高分子吸附材料。

吸附材料的在亚甲基蓝溶液初始浓度为100 mg/L时的去除率达到97.5 %，最大吸附容量为613.5 mg/g。

实施例3

柚皮的预处理：同实施例1；

吸附材料的制备：将3.0 g柚皮粉加入15 mL蒸馏水中，搅拌15 min，得到柚皮粉分散液；将2 g甲基丙烯酸溶于15 mL氢氧化钠水溶液（其中，含氢氧化钠0.85 g），并加入到柚皮粉分散液中，再加入0.04 g交联剂环氧树脂，搅拌分散2 h；升温到60℃，加入0.06 g过硫酸铵，在氮气保护下，搅拌反应1 h后，升温到75℃，再加入0.12 g过硫酸铵，搅拌反应2 h，过滤，所得产物用水洗涤3~5次，然后在50℃下干燥5~8 h，研磨，过100目筛，得到皮高基生物质高分子吸附材料。

吸附材料的在亚甲基蓝溶液初始浓度为100 mg/L时的去除率达到95.5 %，最大吸附容量为577.8 mg/g。

实施例4

柚皮的预处理：同实施例1；

吸附材料的制备：将2.5 g柚皮粉加入15 mL蒸馏水中，搅拌15 min，得到柚皮粉分散液；将3 g丙烯酸溶于20 mL氢氧化钠水溶液（其中，含氢氧化钠1.4 g），并加入到柚皮粉分散液中，再加入0.03 g交联剂环氧树脂，搅拌分散2 h；升温到60℃，加入0.025 g过硫酸铵，在氩气保护下，搅拌反应1 h后，升温到75℃，再加入0.075 g过硫酸铵，搅拌反应2 h，过滤，所得产物用水洗涤3-5次，然后在50℃下干燥5~8 h，研磨，过100目筛，得到柚皮基废弃生物质高分子吸附材料。

吸附材料的在亚甲基蓝溶液初始浓度为100 mg/L时的去除率达到97.8 %，最大吸附容量为623.9 mg/g。

Claims

1.一种柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的制备方法，包括以下工艺步骤：

柚皮的预处理：将柚皮切成小块，在水中浸泡5~60 min，去除可溶性成分，取出沥干水分后，在40 ~60℃下烘干，粉碎至80~150目，得到柚皮粉；

吸附材料的制备：将柚皮粉分散于水中，得柚皮粉分散液；将含有羧基官能团的高分子功能单体溶于NaOH水溶液并加入到柚皮粉分散液中，再加入交联剂搅拌0.5~2 h；升温到50~60℃，加入引发剂，然后在惰性气体保护下搅拌反应0.5~1 h；继续升温到65~75℃，再次加入引发剂，继续搅拌反应1~3 h，反应结束后，过滤，洗涤，干燥，研磨，得到柚皮基废弃生物质高分子吸附材料。

2.如权利要求1所述一种柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的制备方法，其特征在于：所述含羧基官能团的高分子功能单体为甲基丙烯酸或丙烯酸。

3.如权利要求2所述一种柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的制备方法，其特征在于：柚皮粉与甲基丙烯酸的质量比为1:0.2~1:2。

4.如权利要求2所述一种柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的制备方法，其特征在于：甲基丙烯酸溶于NaOH溶液后，甲基丙烯酸的中和度为80~100%。

5.如权利要求1或2所述一种柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的制备方法，其特征在于：交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺或环氧树脂，交联剂的加入量为柚皮粉质量的1~10%。

6.如权利要求1或2所述一种柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的制备方法，其特征在于：引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵。

7.如权利要求6所述一种柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的制备方法，其特征在于：引发剂的加入量为柚皮粉质量的3~9%。

8.如权利要求6所述一种柚皮基废弃生物质高分子吸附材料的制备方法，其特征在于：引发剂第一次加入量为柚皮粉质量的1~3%；第二次加入量为柚皮粉质量的2~6%。