CN106111085B - 一种快速处理染料废水的壳聚糖基吸附剂的材料及其制备方法 - Google Patents

一种快速处理染料废水的壳聚糖基吸附剂的材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种快速处理染料废水的壳聚糖基吸附剂的制备方法，该方法制备得到的壳聚糖基吸附剂不但能在酸性条件下使用，而且其对刚果红的吸附容量高于市售的活性碳和原材料壳聚糖。

Description

一种快速处理染料废水的壳聚糖基吸附剂的材料及其制备 方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，涉及利用壳聚糖基材料改性制备吸附剂的方法。此方法制备得到的壳聚糖基吸附剂不但能在酸性条件下使用，而且其对刚果红的吸附容量高于市售的活性碳和原材料壳聚糖。
背景技术
壳聚糖(chitosan)又称脱乙酰甲壳素，是由自然界广泛存在的几丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖。甲壳素在自然界有巨大储量，而壳聚糖可由甲壳素制得。壳聚糖有优良的吸附性，这是由于分子中有-OH、-NH2等活性官能团。而壳聚糖在强酸性条件下易溶解，中碱性条件下处理效率不高，又存在不易保存等缺点令其不能成为优秀的吸附剂。
刚果红，又称二苯基-4，4’-二（偶氮-2-）-1-氨基萘-4-磺酸钠，分子式为C32H22N6Na2O6S2，为棕红色粉末，溶于水呈黄红色，溶于醇呈橙色。刚果红是在厌氧环境下能生成毒性物质。吸附法是指通过吸附剂来吸染料废水中的染料分子从而是有效地去除水中染料。吸附剂是能有效地从气体或液体中吸附其中某些成分的固体物质。吸附剂可按孔径大小、颗粒形状、化学成分、表面极性等分类。活性炭和壳聚糖都可以有效去除废水中的刚果红。活性炭是使用最为广泛的吸附剂，吸附性能强是它的特点。
在染料废水中存在大量偶氮类刚果红化合物，而且染料废水呈pH3-5甚至更低的强酸性，因此在酸性条件下如何吸附脱除刚果红具有现实需求。壳聚糖基吸附剂材料在强酸性下容易溶解失去效果，因此如何在酸性条件下使用壳聚糖基吸附剂是需要解决的技术问题。
在现有技术方案中，宋娟等称取4 g壳聚糖溶于50 ml的1%的冰醋酸中，制成0.08g/ml的壳聚糖溶液，用氢氧化钠（0.008 g/ml）进行凝胶化，用去离子水清洗至pH 值为7，之后置于干燥箱进行干燥、微波炭化、酸洗、水洗、干燥，制成活性炭（文献出处：宋 娟，李晓晖，宁喜斌. 微波制作壳聚糖质活性炭对亚硝酸钠的吸附性能[J]. 材料科学与工程学报，2014，32(5)：765-768）。范晓丹等将0.15 g 壳聚糖球磨后，超声分散于5 % 的醋酸溶液中制得凝胶液，再加入10 g 污泥活性炭(含炭量为56.72%) ，搅拌; 然后在搅拌状态下滴加NaOH 溶液，使壳聚糖在活性炭表面缓慢矿化，形成壳聚糖凝胶，调中性后，再经水浴陈化，干燥后即可得到在不同改性时间和改性温度条件下的壳聚糖改性污泥活性炭（范晓丹，张襄楷，徐廷献．2012．壳聚糖改性污泥活性炭的脱硫脱硝性能［J］．环境科学学报，32( 7) :1750-1756）。丁世敏等称取4 g 壳聚糖置于500 mL 三颈瓶中, 溶于100 mL 浓度为2 %的醋酸溶液, 加入210 mL 液体石蜡, 5 mL 致孔剂乙酸乙酯和5 滴Span80 , 充分搅拌使反应体系呈乳液状.在混合体系中加入环氧氯丙烷2 mL , 搅拌条件下加入适量NaOH 溶液,使体系在碱性条件下发生交联.反应完成后, 过滤, 洗涤, 再用石油醚在索氏抽提器中抽提24 h , 除去残留有机物, 干燥, 得到交联壳聚糖多孔微球.测得其平均粒径约为0.3mm（丁世敏，封享华，汪玉庭，马淑兰.交联壳聚糖多孔微球对染料的吸附性能[J]. 武汉大学学报. 2004, 50(6):711-715）。可以看出，现有技术方案提供了各种基于壳聚糖基的吸附剂材料制备方法，基本都是将壳聚糖与各材料交联后制备，虽然制得的材料不易溶于酸性水溶液，但其对目标污染物的吸附容量也显著下降。
综上，适用于酸性废水的壳聚糖基吸附剂材料仍有改进制备的空间。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案在于，提供了一种快速处理染料废水的壳聚糖基吸附剂材料及其制备方法。
具体的，本发明的技术方案为：
一种快速处理染料废水的壳聚糖基吸附剂的制备方法，其特征在于，该方法制备步骤如下：（1）溶液配制：将分子量为2.1×105 g/moL，脱乙酰度DDA为91.7%的壳聚糖加入5% 100 mL的乙酸溶液中，电动搅拌30 min，直到壳聚糖完全溶解，溶液呈透明状，得到溶液A；再将硫酸铝溶于8.3 mL蒸馏水，得到溶液B。
（2）将溶液A与溶液B混合，在用玻璃棒搅拌10 min。随后，在边搅拌条件下向反应体系滴加30%(v:v)氨水，直至反应体系的pH达到9，在此过程不断产生白色的絮状沉淀。
（3）白色的絮状沉淀经抽滤，用水洗涤，再置于80 ℃的烘箱烘干24小时，烘干物呈黄色.
（4）将烘干物倒入坩埚中，置于马弗炉中煅烧，冷却后取出煅烧物，煅烧物呈黑色颗粒状，经研磨得到粉末状产物。
本发明所述的方法，其中，所述壳聚糖与硫酸铝的重量比在1:1.80-1:2.00。
本发明所述的方法，其中，步骤（4）中煅烧的温度为290 ℃，时间为10 min，
本发明所述的方法获得的材料。
本发明所述的材料，其中，所述材料呈片状结构。
在本发明的有益效果在于：
（1）本研究采用壳聚糖和硫酸铝等为原料，制备了壳聚糖基吸附剂，用于对刚果红染料的吸附，此方法制备得到的壳聚糖基吸附剂不但能在酸性条件下使用，而且其对刚果红的吸附容量高于市售的活性碳和原材料壳聚糖。
（2）此方法制备得到的壳聚糖基吸附剂不但能在酸性条件下使用，而且其对刚果红的吸附容量高于市售的活性碳和原材料壳聚糖，吸附速率快。
附图说明
图1为活性炭粉(a)、壳聚糖(b)和壳聚糖基吸附剂(c)扫描电镜图。
图2 为刚果红溶液初始浓度对吸附剂吸附刚果红的吸附率影响。
图3为市售壳聚糖基吸附剂、壳聚糖和活性炭粉对刚果红的吸附去除率。
图4为壳聚糖基吸附剂、壳聚糖和活性炭粉对刚果红的饱和平衡吸附量。
具体实施方式
实施例1 本实施例说明材料制备的具体步骤
材料制备：
1) 溶液配制：将2.0 g壳聚糖(分子量=2.1×105 g/moL，脱乙酰度DDA=91.7%)加入5% 100 mL的乙酸溶液中，电动搅拌30 min，直到壳聚糖完全溶解，溶液呈透明状，得到溶液A；再将硫酸铝3.7 g溶于8.3 mL蒸馏水，得到溶液B。
2) 将溶液A与溶液B混合，在用玻璃棒搅拌10 min。随后，在边搅拌条件下向反应体系滴加30%(v:v)氨水，直至反应体系的pH达到9，在此过程不断产生白色的絮状沉淀。
3) 白色的絮状沉淀经抽滤，用水洗涤，再置于80 ℃的烘箱烘干24小时，烘干物呈黄色.
4) 将烘干物倒入坩埚中，置于马弗炉中煅烧，设置温度290 ℃，保温10 min，冷却后取出煅烧物，煅烧物呈黑色颗粒状，经研磨得到粉末状产物。
实施例2 本实施例说明实施例1所获得的材料的电镜图片与现有材料的比较
为观察壳聚糖基活性炭的的活性炭粉、壳聚糖和壳聚糖基活性炭的微观结构，用日立S4800扫描电镜仪。扫描电镜图如图2所示。由图可知，活性炭在低倍下呈管状结构，表面较光滑；相同倍数下的壳聚糖是一个光滑的片状结构，而壳聚糖基活性炭的表面有较多的颗粒物，较为均匀地分布在其表面。高倍情况下，活性炭表面依旧较为光滑；壳聚糖还是为片状结构；壳聚糖基活性炭呈片状的情况。对比之下，壳聚糖基活性炭的比表面积较其他两种吸附剂更大，更有利于吸附。
实施例3 本实施说明材料吸附性能
在50 mL 20 mg/L的刚果红溶液，吸附剂投加量0.6克/升，pH为6.0，吸附时间为5分钟条件下，市售壳聚糖基吸附剂、壳聚糖和活性炭粉对刚果红的吸附去除率分别为94.39%、86.34%和71.46%。吸附效果如图2所示。
实施例4 本实施说明材料吸附性能
在50 mL 20 mg/L的刚果红溶液，吸附剂投加量0.6克/升，pH为3.0，吸附时间为5分钟条件下，市售壳聚糖基吸附剂、壳聚糖和活性炭粉对刚果红的吸附去除率分别为94.08%、0%(壳聚糖完全溶解)和76.05%。吸附效果如图3所示。
实施例5本实施说明材料吸附性能
在20 ℃的刚果红溶液，pH为6.0，吸附剂投加量0.6克/升，市售壳聚糖基吸附剂、壳聚糖和活性炭粉对刚果红的饱和平衡吸附量分别为350.46毫克/克、204.71毫克/克和258.31毫克/克。吸附效果如图4所示。

Claims (3)

1.一种快速处理染料废水的壳聚糖基吸附剂的制备方法，其特征在于，该方法制备步骤如下：
（1）溶液配制：将摩尔质量为2.1×105 g/mol，脱乙酰度DDA为91.7%的壳聚糖加入5%100 mL的乙酸溶液中，电动搅拌30 min，直到壳聚糖完全溶解，溶液呈透明状，得到溶液A；再将硫酸铝溶于8.3 mL蒸馏水，得到溶液B；
（2）将溶液A与溶液B混合，再用玻璃棒搅拌10 min；
随后，在边搅拌条件下向反应体系滴加体积百分比为30%的氨水，直至反应体系的pH达到9，在此过程不断产生白色的絮状沉淀；
（3）白色的絮状沉淀经抽滤，用水洗涤，再置于80 ℃的烘箱烘干24小时，烘干物呈黄色；
（4）将烘干物倒入坩埚中，置于马弗炉中煅烧，冷却后取出煅烧物，煅烧物呈黑色颗粒状，经研磨得到粉末状产物；
其中，所述壳聚糖与硫酸铝的重量比在1:1.85；
步骤（4）中煅烧的温度为290℃，时间为10 min。
2.根据权利要求1所述的方法获得的吸附剂。
3.根据权利要求2所述的吸附剂，其特征在于，所述吸附剂呈片状结构。
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