CN107586959B - 利用超声波强化功能性离子液体萃取水中重金属的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了利用超声波强化功能性离子液体萃取水中重金属的方法，首先向重金属溶液中加入功能性离子液体，然后利用超声强化功能性离子液体萃取重金属溶液中的重金属；萃取结束后离心分离，取上清液过孔径为0.45μm水系膜后测其重金属含量，萃取分离后的功能性离子液体经洗脱后进行二次利用。本发明可得到对水溶液中Cr、Pb或Cd较高萃取效率的功能性离子液体，且功能性离子液体可回收循环利用，绿色环保。

Description

利用超声波强化功能性离子液体萃取水中重金属的方法
技术领域
本发明属于废水处理领域，具体涉及一种利用超声波强化功能性离子液体萃取水中重金属的方法。
背景技术
随着全球工业化的迅猛发展，大量含有重金属离子的废弃物被直接或间接地排放到环境中，污染了自然水体和土壤，进而通过食物链对人类健康造成极大威胁，因此探寻能够从环境中有效分离重金属离子的方法显得尤为重要。
分离环境介质重金属离子的方法很多，如膜分离、离子交换和溶剂萃取等。其中绿色的生物材料和树脂分离萃取技术面临着萃取效率低的技术难题，溶剂萃取由于具有能耗低、设备简单、适应性强、分离效果好、易于连续操作等优点，已成功用于废水重金属的回收。但使用萃取剂多为易挥发、易燃和有毒的物质，会对人体和环境带来一定的危害。因此选取环境友好型绿色材料萃取重金属至关重要。
离子液体作为一种全新的绿色功能材料，由其独特的理化性能，如具有不挥发性、可乎略的蒸气压、溶解性好、电化学稳定性，而且其还具有可设计、修饰和调变的阴阳离子结构，可以根据需要设计离子液体阴阳离子的组成或改变其取代基，近年来采用离子液体分离提取环境介质中金属离子成为新的研究热点。目前普通的离子液体萃取金属离子，如不采取任何措施，则金属离子的分配系数D(离子液体中浓度/水中浓度)小于1。提高D值的方法一般有两种：一种是选取离子液体做溶剂，再添加萃取剂，此类办法虽然能达到萃取效果，但增加了水相中物质的复杂程度。另一种方法在离子液体的阳离子取代基上引入配位原子或配位结构形成功能性离子液体，使其既具有离子液体的性质，又具有官能团的性质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用超声波强化功能性离子液体萃取水中重金属的方法，以克服现有技术存在的缺陷，本发明可得到较高的萃取分离效率，功能性离子液体可回收循环利用，绿色环保。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
利用超声波强化功能性离子液体萃取水中重金属的方法，包括以下步骤：
(1)向重金属溶液中加入功能性离子液体，然后利用超声波强化功能性离子液体萃取重金属溶液中的重金属；
(2)萃取结束后离心分离，取部分上清液过孔径为0.45μm水系膜后测其重金属含量。
进一步地，离心分离后的功能性离子液体经洗脱后返回步骤(1)进行二次利用。
进一步地，离心分离后的功能性离子液体采用HNO3溶液进行三次洗脱。
进一步地，洗脱时功能性离子液体与HNO3溶液的体积比为1:10，且HNO3溶液的浓度为0.1～0.5mol/L。
进一步地，所述功能性离子液体为季铵盐表面活性剂型，且功能性离子液体的阴离子采用双(2-乙基己基)磺基丁二酸钠，阳离子采用四丁基氯化铵。
进一步地，所述功能性离子液体的制备过程包括以下步骤：
步骤一：按照1:1的摩尔比取双(2-乙基己基)磺基丁二酸钠和四丁基氯化铵，分别向双(2-乙基己基)磺基丁二酸钠和四丁基氯化铵中加入二氯甲烷后搅拌溶液得到溶液A和溶液B，其中每20mmol双(2-乙基己基)磺基丁二酸钠或四丁基氯化铵中加入50mL二氯甲烷，将溶液A和溶液B混合后在25℃下搅拌均匀，然后冷凝回流24h得到粗产物；
步骤二：将粗产物水洗若干次，直至检测水相中无氯离子；
步骤三：将步骤二得到的产物通过蒸发去除二氯甲烷，然后于80℃下真空干燥48h得到功能性离子液体。
进一步地，功能性离子液体与重金属溶液的体积比为(1:10)～(1:20)。
进一步地，超声强化的功率为100W，时间为15min。
进一步地，重金属溶液中的重金属为Pb、Cr或Cd，且重金属溶液中Pb、Cr或Cd的浓度为1mg/L。
进一步地，利用ICP-MS测定重金属含量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用的超声波可在溶液内部产生强烈振动搅拌作用和超声空化效应，直接作用于样品内部。在萃取废水中重金属的工艺中，将超声波强化与传统液液萃取技术结合，并优化超声波作用参数，使样品内部振荡均匀，短时间即可达到所要求的效果，克服传统振荡器操作时间长，振荡不均匀等问题，提高了萃取效率。
进一步地，经硝酸洗脱后离子液体重复利用率高，既降低合成成本又对环境污染少。
进一步地，本发明合成的季铵盐表面活性剂型功能性离子液体具有疏水性、几乎为零的蒸汽压，与传统有机溶剂挥发性相比，避免了传统有机溶剂带来的环境、安全及萃取剂流失等问题。由于本发明采用的功能性离子液体为疏水性且密度比水大，黏度大，为了让功能性离子液体与重金属溶液充分接触，且减少操作时间，辅助采用超声波进行破碎。
进一步地，合成的离子液体带有表面活性剂的性质，可以显著提高金属离子在离子液体中的分配率，提高金属离子的萃取率，且本发明合成的功能性离子液体可直接萃取水溶液中重金属离子，避免常规离子液体萃取金属离子时金属螯合剂的加入使体系变复杂，以及材料无法重复利用等问题。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：
利用超声波强化功能性离子液体萃取水中重金属的方法，包括以下步骤：
(1)向重金属溶液中加入功能性离子液体，功能性离子液体与重金属溶液的体积比为(1:10)～(1:20)，重金属溶液中的重金属为Pb、Cr或Cd，且重金属溶液中Pb、Cr或Cd的浓度为1mg/L，然后利用超声强化功能性离子液体来萃取重金属溶液中的重金属，超声强化的功率为100W，时间为15min；
其中，功能性离子液体为季铵盐表面活性剂型，功能性离子液体的阴离子采用双(2-乙基己基)磺基丁二酸钠，阳离子采用四丁基氯化铵，功能性离子液体的制备过程包括以下步骤：
步骤一：按照1:1的摩尔比取双(2-乙基己基)磺基丁二酸钠和四丁基氯化铵，分别向双(2-乙基己基)磺基丁二酸钠和四丁基氯化铵中加入二氯甲烷后搅拌溶液得到溶液A和溶液B，其中每20mmol双(2-乙基己基)磺基丁二酸钠或四丁基氯化铵中加入50mL二氯甲烷，将溶液A和溶液B混合后在25℃下搅拌均匀，然后冷凝回流24h得到粗产物；
步骤二：将粗产物水洗若干次，直至检测水相中无氯离子；
步骤三：将步骤二得到的产物通过蒸发去除二氯甲烷，然后于80℃下真空干燥48h得到功能性离子液体。
(2)萃取结束后离心分离，取上清液过孔径为0.45um的水系膜后利用ICP-MS测其重金属含量，萃取分离后的功能性离子液体经洗脱后返回步骤(1)进行二次利用，萃取分离后的功能性离子液体采用HNO3溶液进行三次洗脱，洗脱时功能性离子液体与HNO3溶液的体积比为1:10，且HNO3溶液的浓度为0.1～0.5mol/L。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
分别量取10mL含Cr、Pb或Cd的重金属溶液(Cr、Pb或Cd的浓度均为1mg/L)于15mL离心管中，分别加入1mL功能性离子液体，混匀后在25℃条件下超声15min，于4000r/min转速下离心5min，取上清液过0.45μm水系膜后测重金属剩余含量，每组平行3个实验。测得该功能性离子液体对重金属溶液中Cr、Pb、Cd的萃取率如表1。
实施例2
分别量取10mL含Cr、Pb或Cd的重金属溶液(Cr、Pb或Cd的浓度均为1mg/L)于15mL离心管中，分别加入1mL功能性离子液体，混匀后在25℃条件下超声15min，于4000r/min转速下离心5min，取上清液过0.45μm水系膜后测重金属剩余含量，每组平行3个实验。测得该功能性离子液体对重金属溶液中Cr、Pb、Cd的萃取率如表1。
表1 功能性离子液体对重金属溶液中Cr、Pb或Cd的萃取率
实施例3
分别量取10mL含Cr、Pb或Cd的重金属溶液(Cr、Pb或Cd的浓度均为1mg/L)于15mL离心管中，分别加入1mL功能性离子液体，混匀后在25℃条件下超声15min，4000r/min条件下离心5min，弃去水溶液，向剩余功能性离子液体中加入10mL 0.1mol/L的HNO3溶液，混匀，超声15min，离心静置弃去稀酸溶液，如此重复三次，对离子液体进行洗脱。洗脱后对离子液体重新进行萃取操作，具体步骤同上述实施例1。离子液体二次利用对重金属溶液中Cr、Pb、Cd的萃取率如表2。
实施例4
分别量取10mL含Cr、Pb或Cd的重金属溶液(Cr、Pb或Cd的浓度均为1mg/L)于15mL离心管中，分别加入1mL功能性离子液体，混匀后在25℃条件下超声15min，4000r/min条件下离心5min，弃去水溶液，向剩余功能性离子液体中加入10mL 0.5mol/L的HNO3溶液，混匀，超声15min，离心静置弃去稀酸溶液，如此重复三次，对离子液体进行洗脱。洗脱后对离子液体重新进行萃取操作，具体步骤同上述实施例1。离子液体二次利用对重金属溶液中Cr、Pb、Cd的萃取率如表2。
表2 离子液体二次利用时对重金属溶液中重金属萃取率
综上，本发明合成的季铵盐表面活性剂型功能性离子液体在超声波强化的条件下，离子液体与重金属溶液体积比为1:10、洗脱选取0.1mol/L的HNO3溶液对重金属的萃取和离子液体的循环利用有很好的效果。

Claims (7)

1.利用超声波强化功能性离子液体萃取水中重金属的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)向重金属溶液中加入功能性离子液体，然后利用超声波强化功能性离子液体萃取重金属溶液中的重金属，所述功能性离子液体为季铵盐表面活性剂型，且功能性离子液体的阴离子采用双(2-乙基己基)磺基丁二酸钠，阳离子采用四丁基氯化铵，且功能性离子液体与重金属溶液的体积比为(1:10)～(1:20)；
所述功能性离子液体的制备过程包括以下步骤：
步骤一：按照1:1的摩尔比取双(2-乙基己基)磺基丁二酸钠和四丁基氯化铵，分别向双(2-乙基己基)磺基丁二酸钠和四丁基氯化铵中加入二氯甲烷后搅拌溶液得到溶液A和溶液B，其中每20mmol双(2-乙基己基)磺基丁二酸钠或四丁基氯化铵中加入50mL二氯甲烷，将溶液A和溶液B混合后在25℃下搅拌均匀，然后冷凝回流24h得到粗产物；
步骤二：将粗产物水洗若干次，直至检测水相中无氯离子；
步骤三：将步骤二得到的产物通过蒸发去除二氯甲烷，然后于80℃下真空干燥48h得到功能性离子液体；
(2)萃取结束后离心分离，取部分上清液过孔径为0.45μm水系膜后测其重金属含量。
2.根据权利要求1所述的利用超声波强化功能性离子液体萃取水中重金属的方法，其特征在于，离心分离后的功能性离子液体经洗脱后返回步骤(1)进行二次利用。
3.根据权利要求2所述的利用超声波强化功能性离子液体萃取水中重金属的方法，其特征在于，离心分离后的功能性离子液体采用HNO3溶液进行三次洗脱。
4.根据权利要求3所述的利用超声波强化功能性离子液体萃取水中重金属的方法，其特征在于，洗脱时功能性离子液体与HNO3溶液的体积比为1:10，且HNO3溶液的浓度为0.1～0.5mol/L。
5.根据权利要求1所述的利用超声波强化功能性离子液体萃取水中重金属的方法，其特征在于，超声强化的功率为100W，时间为15min。
6.根据权利要求1所述的利用超声波强化功能性离子液体萃取水中重金属的方法，其特征在于，重金属溶液中的重金属为Pb、Cr或Cd，且重金属溶液中Pb、Cr或Cd的浓度为1mg/L。
7.根据权利要求1所述的利用超声波强化功能性离子液体萃取水中重金属的方法，其特征在于，利用ICP-MS测定重金属含量。
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