CN106824118A - 一种用于污水处理的重金属离子吸附剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于污水处理的重金属离子吸附剂及其制备方法和污水处理剂，其中，制备方法包括以下步骤：S1：将氧化石墨加入水中，超声分散，得到氧化石墨分散液；S2：将氧化刺槐豆胶、硅烷偶联剂加入至上述氧化石墨分散液中，升温至60～80℃，搅拌反应4～6h，冷却至室温，干燥得重金属离子吸附剂。本发明的制备方法制备的重金属离子吸附剂和污水处理剂，使用方便，吸附量大，能够对重金属离子有效吸附，重金属离子去除率高，特别是对铅离子和镉离子吸附效果。

Description

一种用于污水处理的重金属离子吸附剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及污水处理领域，具体地，涉及用于污水处理的重金属离子吸附剂及其制备方法和污水处理剂。
背景技术
近年来，随着经济的快速增长，现代工农业的快速发展，环境问题成为全球性问题，引起了国内外普遍关注。其中，水体污染由于与人类生活息息相关更是得到了格外的关注。重金属离子作为引起水污染的重要因素之一，由于其不能被生物降解，容易在生物体内富集，对生物和人体健康构成了严重的威胁。
水体污染中，重金属离子主要有镉、铅、汞、铜等，重金属离子污染呈现以下特点：一、重金属在自然条件下难易降解，故重金属废水污染后，危害持续时间长；二、生物富集危害大，有的重金属，富集倍数可达上万倍，通过食物链在人体器官中积累造成慢性中毒，严重危害人体健康。随着国家生态文明建设以及科学持续发展要求的提出和推进，水体污染处理特别是重金属离子污染治理也将成为污染治理的重要一环。
在水体污染的重金属离子中，以镉离子和铅离子的含量通常最高，危害也最大。研究表明，铅离子对机体的损伤呈多系统性、多器官性，例如对神经、造血、消化、泌尿、生殖、心血管、内分泌、免疫等系统都会造成不利影响，具体可以表现为造成血铅浓度升高，引起贫血、认知缺损、听力减弱、维生素D代谢紊乱和腹部疼痛等问题。并且其半衰期长达10年，毒性作用持久。而镉离子会对呼吸道产生刺激，长期接触会造成嗅觉丧失症、牙龈黄斑或渐成黄圈，镉化合物不易被肠道吸收，但可经呼吸被体内吸收，积存于肝火肾脏造成危害，尤以对深造损害最为明显，它还可导致骨质疏松和软化。
现有的重金属离子处理的常用方法主要有化学沉淀法、电解法、膜分离法、吸附法等。其中，化学沉淀法设备简单、操作方便、处理效果好，但对化学试剂的消耗量大，费用高、易造成二次污染。电解法工艺成熟，具有去除率高，但处理大量废水时能耗大，电极金属耗量大，大规模应用受限。膜分离法兼顾水质净化和重金属回收，但由于技术难度大，膜成本高，处理效率低。吸附法是一种比较有效的处理重金属污染的方法，最常用的吸附剂是活性炭，存在吸附效果不突出且无吸附选择性等缺陷。
因此，本领域仍然需要效果和选择性更好的污水处理重金属离子吸附剂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于污水处理的重金属离子吸附剂的制备方法，该方法制备的重金属离子吸附剂能够对水体中重金属离子有效吸附，特别是对铅离子和镉离子。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于污水处理的重金属离子吸附剂的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S1：将氧化石墨加入水中，超声分散，得到氧化石墨分散液；
S2：将氧化刺槐豆胶、硅烷偶联剂加入至上述氧化石墨分散液中，升温至60～80℃，搅拌反应4～6h，冷却至室温，干燥得重金属离子吸附剂。
在本发明中，优选地，在步骤S1中，氧化石墨分散液的浓度为0.01～2mg/ml；优选地，氧化石墨分散液的浓度为0.05～0.15mg/ml。
在本发明中，优选地，在步骤S2中，所述氧化刺槐豆胶的氧化度为30～50％。
在本发明中，所述氧化刺槐豆胶可以由高碘酸钠氧化刺槐豆得到，例如将刺槐豆胶分散于去离子水中，然后加入高碘酸钠在40～60℃搅拌反应即可得到氧化刺槐豆胶。
在本发明中，氧化度的测定可以参考本领域常规的方法，例如：将一定量碘化钠溶于pH＝7的磷酸盐缓冲溶液中配成质量分数20％的混合液；将α2淀粉糊精溶于缓冲溶剂中制备质量分数为10％的溶液作为指示剂；将上述2种溶液等体积混合,并迅速与氧化刺槐豆胶反应；溶液中未消耗的高碘酸钠与碘化钠发生氧化-还原反应，释放出的碘与淀粉指示剂发生显色反应而呈红棕色；记录高碘酸钠消耗量；计算氧化度(％)＝808N/6m×100％，其中，N为高碘酸钠消耗量(mol)，m为刺槐豆胶样品质量(g)，808为每个刺槐豆胶重复单元分子量(g/mol)。本发明使用的刺槐豆胶重复单元中半乳糖与甘露糖比约为1：4。
优选情况下，所述氧化刺槐豆胶与硅烷偶联剂、氧化石墨的使用量重量比例为30～100：0.5～2：1。
在本发明中对于硅烷偶联剂并没有特别的限定，例如所述硅烷偶联剂可以为γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷，γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷和N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种，优选为γ-氨丙基三乙氧基硅烷。所述硅烷偶联剂一方面可以与氧化石墨表面化学反应形成共价键，另一端可以通过氨基与氧化刺槐豆胶进行接枝，从而形成复合型吸附剂。
在本发明中所述氧化石墨为石墨的氧化物，所述氧化石墨优选为一层，一层的氧化石墨具有更大的比表面积，所述氧化石墨的横向长度优选为100～500nm。所述横向长度是指平行于氧化石墨片层平面方向的长度。
上述的氧化石墨可以根据现有的方法进行合成，具体可以为：10g天然是面膜与1L浓硫酸在低温(＜0℃)下混合3～4小时，然后加入120g高锰酸钾，0℃下搅拌混合3小时，将所得混合物在室温下持续搅拌24小时，加入去离子水，当混合液为棕黄色时，停止加入去离子水，加入30％H2O2至颜色变成亮黄色为止，过滤得到氧化石墨弄分散液，用10％盐酸洗涤氧化石墨的浓分散液，然后用去离子水将氧化石墨浓分散液洗涤至pH值为7，得到氧化石墨分散液，再将该氧化石墨分散液干燥，得到氧化石墨。
在本发明中，干燥的方法可以为本领域常用的干燥方法，例如烘箱烘干或者冷冻冻干等。
本发明还提供一种污水处理剂，该污水处理剂含有上述的制备方法制备的用于污水处理的重金属离子吸附剂。
本发明的制备方法制备的重金属离子吸附剂和污水处理剂，能够对重金属离子有效吸附，重金属离子去除率高，特别是对铅离子和镉离子吸附效果；该吸附剂吸附量大，用量小，节约成本且使用方便。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。但这些实施例仅限于说明本发明而不是对本发明的保护范围的进一步限定。
实施例1
重金属离子吸附剂的制备
S1：将15mg氧化石墨加入圆底烧瓶中，加入100ml去离子水，然后将圆底烧瓶置于超声仪中超声分散1h，得到0.15mg/ml氧化石墨分散液。
S2：将氧化刺槐豆胶、γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入至上述氧化石墨分散液中，升温至65℃，搅拌反应5h，冷却至室温，冷冻干燥得重金属离子吸附剂X1。其中，所述氧化刺槐豆胶的氧化度为38％，所述氧化刺槐豆胶与硅烷偶联剂、氧化石墨的使用量重量比例为30：0.7：1。
实施例2
重金属离子吸附剂的制备
S1：将5mg氧化石墨加入圆底烧瓶中，加入100ml去离子水，然后将圆底烧瓶置于超声仪中超声分散1h，得到0.05mg/ml氧化石墨分散液。
S2：将氧化刺槐豆胶、γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入至上述氧化石墨分散液中，升温至80℃，搅拌反应5h，冷却至室温，冷冻干燥得重金属离子吸附剂X2。其中，所述氧化刺槐豆胶的氧化度为48％，所述氧化刺槐豆胶与硅烷偶联剂、氧化石墨的使用量重量比例为60：0.5：1。
实施例3
重金属离子吸附剂的制备
S1：将10mg氧化石墨加入圆底烧瓶中，加入100ml去离子水，然后将圆底烧瓶置于超声仪中超声分散1h，得到0.1mg/ml氧化石墨分散液。
S2：将氧化刺槐豆胶、γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入至上述氧化石墨分散液中，升温至60℃，搅拌反应5h，冷却至室温，冷冻干燥得重金属离子吸附剂X3。其中，所述氧化刺槐豆胶的氧化度为32％，所述氧化刺槐豆胶与硅烷偶联剂、氧化石墨的使用量重量比例为100：1.8：1。
实施例4
重金属离子吸附剂的制备
S1：将15mg氧化石墨加入圆底烧瓶中，加入100ml去离子水，然后将圆底烧瓶置于超声仪中超声分散1h，得到0.15mg/ml氧化石墨分散液。
S2：将氧化刺槐豆胶、γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入至上述氧化石墨分散液中，升温至65℃，搅拌反应5h，冷却至室温，冷冻干燥得重金属离子吸附剂X4。其中，所述氧化刺槐豆胶的氧化度为16％，所述氧化刺槐豆胶与硅烷偶联剂、氧化石墨的使用量重量比例为30：0.7：1。
对比例1
S1：将15mg氧化石墨加入圆底烧瓶中，加入100ml去离子水，然后将圆底烧瓶置于超声仪中超声分散1h，得到0.15mg/ml氧化石墨分散液。
S2：将刺槐豆胶、γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入至上述氧化石墨分散液中，升温至65℃，搅拌反应5h，冷却至室温，冷冻干燥得吸附剂D1。其中，所述刺槐豆胶与硅烷偶联剂、氧化石墨的使用量重量比例为30：0.7：1。
对比例2
S1：将15mg氧化石墨加入圆底烧瓶中，加入100ml去离子水，然后将圆底烧瓶置于超声仪中超声分散1h，得到0.15mg/ml氧化石墨分散液。
S2：将氧化刺槐豆胶、γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入至上述氧化石墨分散液中，室温搅拌反应5h，冷冻干燥得吸附剂D2。其中，所述氧化刺槐豆胶的氧化度为38％，所述氧化刺槐豆胶与硅烷偶联剂、氧化石墨的使用量重量比例为30：0.7：1。
对比例3
S1：将15mg氧化石墨加入圆底烧瓶中，加入100ml去离子水，然后将圆底烧瓶置于超声仪中超声分散1h，得到0.15mg/ml氧化石墨分散液。
S2：将氧化刺槐豆胶加入至上述氧化石墨分散液中，升温至65℃，搅拌反应5h，冷冻干燥得吸附剂D3。其中，所述氧化刺槐豆胶的氧化度为38％，所述氧化刺槐豆胶与氧化石墨的使用量重量比例为30：1。
测试例
在50ml铅离子浓度为500、1000μg/L以及镉离子为500、1000μg/L进行测试吸附剂的性能，分别加入20mg实施例1-4或对比例1-3方法制备的吸附剂，室温(25±2℃)测试，重金属离子去除率如表1所示。
表1
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (8)

1.一种用于污水处理的重金属离子吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将氧化石墨加入水中，超声分散，得到氧化石墨分散液；
S2：将氧化刺槐豆胶、硅烷偶联剂加入至上述氧化石墨分散液中，升温至60～80℃，搅拌反应4～6h，冷却至室温，干燥得重金属离子吸附剂。
2.根据权利要求1所述的用于污水处理的重金属离子吸附剂的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，氧化石墨分散液的浓度为0.01～2mg/ml；优选地，氧化石墨分散液的浓度为0.05～0.15mg/ml。
3.根据权利要求2所述的用于污水处理的重金属离子吸附剂的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述氧化刺槐豆胶的氧化度为30～50％。
4.根据权利要求1所述的用于污水处理的重金属离子吸附剂的制备方法，其特征在于，所述氧化刺槐豆胶与硅烷偶联剂、氧化石墨的使用量重量比例为30～100：0.5～2：1。
5.根据权利要求1或4所述的用于污水处理的重金属离子吸附剂的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷，γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷和N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的用于污水处理的重金属离子吸附剂的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨的横向长度为100～500nm。
7.由权利要求1-6所述的制备方法制备的用于污水处理的重金属离子吸附剂。
8.一种污水处理剂，其特征在于，该污水处理剂含有权利要求1-6任意一项所述的制备方法制备的用于污水处理的重金属离子吸附剂。
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