CN107840429B - 一种去除六价铬的金属有机高分子材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于去除六价铬的金属有机高分子材料的制备方法及其所得材料和应用,该方法包括如下步骤:(1)将鞣酸和柠檬酸钠加水溶解得到混合溶液,将混合溶液与淀粉溶液混合得到高分子骨架溶液;(2)将水溶性三价铁盐溶液加入步骤(1)得到的高分子骨架溶液中,搅拌反应,得到金属高分子材料。本发明提供的金属有机高分子材料能够高效去除废水中的六价铬,且性能稳定,廉价易得,适用于大规模处理Cr(VI)废水。本发明提供的制备方法操作简单,生产成本低,适于工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于废水污染控制技术领域,具体涉及一种用于去除六价铬的金属有机高分子材料的制备方法及其所得材料和应用。
背景技术
处理重金属污染的水体一直受到广泛的关注,特别是含铬的废水,会严重威胁到人的身体健康和自然环境。含铬废水主要来源于采矿、金属电镀、冶金、造纸和铬酸盐加工等所排放的废水。在水体中,铬以两种价态存在:Cr(VI)和Cr(III),这两种价态展现了不同的化学性质和毒性,与Cr(III)相比,Cr(VI)溶解性高,在水中以Cr2O72-、 CrO42-等氧负离子的形式存在,其具有较强的毒性,已经被列为优先污染物。
根据重金属Cr的性质,其主要的处理方法就是将Cr(VI)还原成Cr(III),从而降低了废水的毒性。目前为止,很多方法与技术用于去除水体中六价铬,比如吸附、化学沉降、膜过滤等。很多的材料也广泛应用于含Cr(VI)废水的处理,应用比较广泛的是纳米零价铁,由于其具有较强的还原性,较大的比表面积,能够将废水中的六价铬快速还原成三价铬而除去。但是零价纳米铁本身也存在一定的问题。首先是零价纳米铁的制备过程相对复杂,普遍使用的是液相还原法,在制备过程中需要通入惰性气体进行保护,制备设施相对复杂,另外,纳米铁活性较高,在空气中很容易与氧气发生反应而失活,影响了纳米铁的处理效果。有的学者研究并制备了比较稳定的纳米铁,但是制备的过程中也需要惰性气体保护,这样在实际的生产过程中,需要较为复杂的装置。因此,目前亟需开发出一种制备简单,性质稳定,去除效率较高的新的处理材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于去除六价铬的金属有机高分子材料的制备方法。
本发明的另一个目的是提供所述制备方法制备得到的金属有机高分子材料,该材料能够高效去除废水中的六价铬,且性能稳定,廉价易得,适用于大规模处理Cr(VI)废水。
本发明还有一个目的是提供所述金属有机高分子材料在去除水体中的六价铬中的应用。
为实现发明目的,本发明采用的技术方案如下:
一种用于去除六价铬的金属有机高分子材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将鞣酸和柠檬酸钠加水溶解得到混合溶液,将混合溶液与淀粉溶液混合得到高分子骨架溶液;
(2)将水溶性三价铁盐溶液加入步骤(1)得到的高分子骨架溶液中,搅拌反应,得到金属高分子材料。
更具体的步骤如下:
(1)配置溶液,称取鞣酸以及柠檬酸钠,置于烧杯中,加入水,超声和/或搅拌直至溶解,得到混合溶液;称取可溶性淀粉,加入水搅匀,缓缓倒入沸水中,随加随搅拌,继续煮沸1~3分钟,冷却,取上清液,得到淀粉溶液;将淀粉溶液与混合溶液混合,得到高分子骨架溶液;
(2)在搅拌的状态下,将水溶性三价铁盐溶液加入到步骤(1)得到的高分子骨架溶液中,滴加完毕后,继续搅拌3~10分钟,得到金属高分子材料。
步骤(1)中,鞣酸与柠檬酸钠的摩尔比为(1~3)∶1,优选为(1~1.5)∶1;鞣酸与水的质量比为(0.01~0.015)∶1,优选为0.012∶1;所述的淀粉溶液的质量分数为0.1~0.5%,优选为0.1~0.2%。
步骤(1)中,所述的混合溶液与淀粉溶液的体积比为(1~3)∶1,优选(1.5~2)∶ 1。
步骤(2)中,水溶性三价铁盐为FeCl3、FeCl3·6H2O、Fe(NO)3·9H2O中的一种或几种。
步骤(2)中,水溶性三价铁盐溶液中Fe3+的摩尔浓度为0.21~0.42mol/L,优选为0.35~0.42mol/L;鞣酸与水溶性三价铁盐溶液中Fe3+的摩尔比为1∶(3~20),优选1∶ (10~20)。
上述制备方法制备得到的金属有机高分子材料在本发明的保护范围之内。
上述金属有机高分子材料在去除水体中的六价铬中的应用在本发明的保护范围之内。
本发明所述的金属有机高分子材料在去除六价铬中的应用,包括如下步骤:
(1)调节水体的pH值在5.5~7;
(2)投加金属有机高分子材料;
(3)调节水体的pH值在8~12,静置,絮凝沉淀。
所述的金属有机高分子材料与水体的体积比为(1~3)∶10,优选为(1.5~3)∶10;水体中六价铬的含量为小于等于120mg/L,优选为60~120mg/L,更优选为100~120mg/L。
本发明所述的金属有机高分子材料可适用于水体中六价铬的含量小于等于120mg/L 的水体。
有益效果:
本发明制备得到的用于去除六价铬的金属有机高分子材料能够高效去除废水中的六价铬,且性能稳定,廉价易得,适用于大规模处理Cr(VI)废水。反应完成后,经过一定时间的静置,该材料会絮凝沉淀,从而将重金属从废水中沉淀下来,便于后期的处理。
相比零价纳米铁作为含Cr(VI)废水的处理材料,本发明制备金属有机高分子材料所使用的化学药剂和制备工艺可降低成本,且操作更简单,适合工业大规模的生产。
附图说明
图1是金属有机高分子材料的制备流程图;
图2是TA与Fe(III)摩尔配比为1∶10的金属有机高分子材料的透射电镜(TEM) 图;
图3是A与Fe(III)摩尔配比为1∶10的金属有机高分子材料的X射线衍射(XRD) 图;
图4是不同配比的金属有机高分子材料对于Cr(VI)的去除效果;
图5是不同pH值的金属有机高分子材料对于Cr(VI)的去除效果;
图6是TA与Fe(III)摩尔配比为1∶20的该金属有机高分子材料与Cr(VI)反应后的光电子能谱(XPS)铁2p分峰图;
图7是TA与Fe(III)摩尔配比为1∶20的该金属有机高分子材料与Cr(VI)反应后的光电子能谱(XPS)铬2p分峰图。
具体实施方式
根据下述实施例,可以更好地理解本发明。然而,本领域的技术人员容易理解,实施例所描述的内容仅用于说明本发明,而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1、金属有机高分子材料的制备
一种用于去除六价铬的金属有机高分子材料的制备方法,其制备流程如图1所述,包括如下步骤:
(1)高分子骨架溶液的复配:称取0.3573g的鞣酸(TA),0.0617g柠檬酸钠,置于烧杯中,加入25ml的蒸馏水,超声搅拌直至溶解,标记为A溶液。再称取0.1g的可溶性淀粉,加入20ml的水搅匀,缓缓倒入80ml的沸水中,随加随搅拌,继续煮沸2分钟,冷却,取上清液,标记为B溶液。将15ml的B溶液加入A溶液中,则配制出高分子骨架溶液。
(2)络合金属离子溶液的配制:称取无水FeCl3固体0.3407g置于烧杯中,加入10ml的蒸馏水,用玻璃棒搅拌直至溶解,标记为Fe(III)盐溶液。
(3)将高分子骨架溶液置于磁力搅拌器上搅拌,将相应的Fe(III)盐溶液1滴/ 秒速度滴入到高分子骨架溶液中,滴完后,继续搅拌5分钟,则鞣酸与金属离子摩尔配比为1∶10的金属有机高分子材料配制完成。
采用透射电镜检测该金属有机高分子材料的形态:
图2为实施例1中制备出的鞣酸与金属离子摩尔配比为1∶10的金属有机高分子材料的透射电镜(TEM)图,从图中可以看出,该材料主要成膜状物,鞣酸是该材料的主要骨架结构,Fe(III)能够与鞣酸发生作用,形成这种膜状物,由此可以看出该材料具有较大的比表面积,具有较强的吸附能力。
用X射线衍射仪扫描该金属有机高分子材料的物相组成:
图3为实施例1中制备出的鞣酸与金属离子摩尔配比为1∶10的金属有机高分子材料的X射线衍射(XRD)图,图中可以看出,该材料没有明显的尖锐的衍射峰,在24°左右有一个比较宽的弥漫的衍射峰,这是鞣酸等含有酚类物质的衍射峰,图谱中也没有发现零价铁的衍射峰,故该材料是非晶物质,且不含有单质铁。
实施例2、金属有机高分子材料的制备
与实施例1相同,区别在于:
步骤(1)中,鞣酸与柠檬酸钠的摩尔比为1∶1;鞣酸与水的质量比为0.01∶1;所述的B溶液的质量分数为0.1%。
步骤(1)中,所述的A溶液与B溶液的体积比为1∶1。
步骤(2)中,水溶性三价铁盐为FeCl3·6H2O。
步骤(2)中,水溶性三价铁盐溶液中Fe3+的摩尔浓度为0.21mol/L;鞣酸与水溶性三价铁盐溶液中Fe3+的摩尔比为1∶3。
实施例3、金属有机高分子材料的制备
与实施例1相同,区别在于:
步骤(1)中,鞣酸与柠檬酸钠的摩尔比为3∶1;鞣酸与水的质量比为0.015∶1;所述的B溶液的质量分数为0.5%。
步骤(1)中,所述的A溶液与B溶液的体积比为3∶1。
步骤(2)中,水溶性三价铁盐为Fe(NO)3·9H2O。
步骤(2)中,水溶性三价铁盐溶液中Fe3+的摩尔浓度为0.42mol/L;鞣酸与水溶性三价铁盐溶液中Fe3+的摩尔比为1∶20。
实施例4、鞣酸与金属离子配比筛选实验
按照实施例1改变铁盐溶液的浓度,在实施例1步骤(2)中,分别称取0.0341g,0.0681g,0.1022g,0.1703g,0.6814g无水氯化铁固体,其余步骤相同,分别制备鞣酸与金属离子摩尔配比为1∶1,1∶2,1∶3,1∶5,1∶20的金属有机高分子材料,与实施例1制备得到的摩尔配比为1∶10的金属有机高分子材料一起,进行六价铬去除实验。
六价铬去除实验包括如下步骤:配制120mg/L的六价铬溶液,调节pH=6,分别量取100mL的120mg/L的六价铬反应液于反应瓶中,分别加入15ml的上述六种金属有机高分子材料,然后将反应瓶放入振荡箱中以180r/min,25℃的条件下振荡,分别在1min, 5min,10min,20min,30min,45min,60min,90min,120min时取样,过滤膜,测量上清液Cr(VI)的浓度。去除结果见图4。
去除结果如图4所示,纵坐标为上清液浓度与初始浓度的比值,即C/C0,由图4 可见,不同的配比,其对于Cr(VI)的去除效果不同。配比为TA∶Fe(III)=1∶1的金属高分子材料,2h去除率为60%左右,当Fe(III)的含量继续增大时,2h的去除率可以达到99%,当配比为TA∶Fe(III)=1∶10或1∶20时的金属高分子材料,其5min 去除率可以达到98%左右。
将各个配比的材料的去除效果分别与准一级动力学方程:dc/dt=-kc拟合,其准一级反应动力学参数拟合结果见表1。
表1
从表1中可以看出,当TA∶Fe(III)为1∶10~1∶20时,其一级动力学速率常数比较高,是配比为1∶1时的50倍,其t1/2=3min左右,相对于目前其它去除六价铬的材料来说,该金属有机高分子材料可以超高效去除水体中的六价铬。
实施例5、金属有机高分子材料的pH值对去除六价铬的效果影响实验
根据实施例1制备的金属有机高分子材料,用1mol/L的氢氧化钠和1mol/L的盐酸溶液调节pH值,使其分别为pH=3.5,5,8三种不同pH值的材料,与实施例1制备得到的金属有机高分子材料(不调节pH值,测得其pH≤1.5)一起,进行六价铬去除实验。
六价铬去除实验包括如下步骤:配制120mg/L的六价铬溶液,调节pH=6,分别量取100mL的120mg/L的六价铬反应液于反应瓶中,分别加入8ml的上述四种金属有机高分子材料,然后将反应瓶放入振荡箱中以180r/min,25℃的条件下振荡,分别在1min, 5min,10min,20min,30min,45min,60min,90min,120min时取样,过滤膜,测量上清液Cr(VI)的浓度。去除结果见图5。
由图5可见,pH值对于该材料去除六价铬影响较大,特别是在中性或弱碱性条件下,去除效果较差。不调节pH的该材料(pH≤1.5)具有较好的去除效果,当pH=3.5 时,去除效果略有下降,当继续增大pH值时,其去除效果变差,因此,在酸性条件下,该材料具有较强的去除六价铬的能力,在实际应用时,特别是处理酸性或中性废水时,按照相应配比,不必调节该材料的pH值。
实施例6
用实施例4中鞣酸与金属离子摩尔配比为1∶20制备得到的金属有机高分子材料进行去除六价铬试验(具体操作见实施例4),该金属有机高分子材料与六价铬溶液反应后,将溶液调成碱性,静置反应液,然后过滤,蒸馏水洗涤后,用光电子能谱(XPS)检测该材料的表面元素价态。图6是铁2p的分峰图,反应后铁元素以Fe2+和Fe3+两种价态存在,图7是铬2p分峰图,反应后铬元素主要以三价铬的形式存在。
通过上面实施例,可以看出该材料去除六价铬的反应可分为快反应阶段和慢反应阶段,存在吸附和还原两种反应机制。该材料能够形成有机骨架,在液体环境中可以成膜。故该材料可经过成膜,吸附,还原的作用将水体中的Cr(VI)去除。
Claims (9)
1.一种用于去除六价铬的金属有机高分子材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将鞣酸和柠檬酸钠加水溶解得到混合溶液,将混合溶液与淀粉溶液混合得到高分子骨架溶液;
(2)将水溶性三价铁盐溶液加入步骤(1)得到的高分子骨架溶液中,搅拌反应,得到金属高分子材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,鞣酸与柠檬酸钠的摩尔比为(1~3)∶1;鞣酸与水的质量比为(0.01~0.015)∶1;所述的淀粉溶液的质量分数为0.1~0.5%。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述的混合溶液与淀粉溶液的体积比为(1~3)∶1。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,水溶性三价铁盐为FeCl3、FeCl3·6H2O、Fe(NO)3·9H2O中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,水溶性三价铁盐溶液中Fe3 +的摩尔浓度为0.21~0.42mol/L;鞣酸与水溶性三价铁盐溶液中Fe3+的摩尔比为1∶(3~20)。
6.权利要求1~5任意一项所述的制备方法制备得到的金属有机高分子材料。
7.权利要求6所述的金属有机高分子材料在去除水体中的六价铬中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于,包括如下步骤:
(1)调节水体的pH值在5.5~7;
(2)投加金属有机高分子材料;
(3)调节水体的pH值在8~12,静置,絮凝沉淀。
9.根据权利要求8所述的应用,其特征在于,金属有机高分子材料与水体的体积比为(1~3)∶10;水体中六价铬的含量为小于等于120mg/L。
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