CN108855014B - 一种重金属吸附剂及其制备方法与应用 - Google Patents

一种重金属吸附剂及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种重金属吸附剂及其制备方法与应用，旨在提供一种原料易得，用量少、净水效果好，处理速度快，尤其对重金属有良好的吸附作用的吸附剂；其技术方案通过高碘酸钾氧化海藻酸钠生成二醛结构，而后利用支化聚乙烯亚胺(PEI)上的伯胺与醛基进行席夫碱反应进行接枝，最后还原得到共聚物；属于工业废水处理技术领域。

Description

一种重金属吸附剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明公开了一种重金属吸附剂，本发明还公开了该重金属吸附剂的制备方法与应用；属于工业废水处理技术领域。
背景技术
海藻酸是19世纪80年代英国化学家从褐色海藻中分离出来的一种无支链天然高分子多糖，并在20世纪初开始商业化生产。商业用的海藻酸主要以海藻酸盐的形式存在，包括海藻酸钙、海藻酸钾、海藻酸钠，在食品、纺织、印刷、医药等行业都具有广泛的运用。海藻酸本身不溶于非极性溶剂，微溶于水；海藻酸作为多糖类物质家族中一个非常重要的组成成员，具有许多优异的特性，如无毒、生物相容性好、可生物降解、价格低廉等。常见海藻酸盐为海藻酸钠，为白色或淡黄色粉末，无臭无味，易溶于水，加入温水膨化，吸湿性强，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂。海藻酸钠可以与Pb2+进行离子交换，对Cu2+进行配位螯合吸附，对Cd2+，Ni2+，Zn2+，Co2+等吸附也比较强。
海藻酸分子链结构单元包含β-D甘露糖醛酸(M单元)和α-L古洛糖醛酸(G单元)其中G结构单元可以与多价金属离子螯合行程配位化合物。海藻酸钠上的羧基极易与二钾离子发生静电相互作用，离子与单元上的多个O原子发生螯合作用，使海藻酸钠链间结合得更紧密，如式1所述：
Figure BDA0001754591230000011
人类生产活动对水资源造成严重的污染，工业引起的水体污染最严重，尤其是含重金属废水，潜在危害性极大，处理难度也非常大。根据重金属废水中所含重金属元素进行分类，一般可以分为含铬废水、含镍废水、含镉废水和含铜废水等。虽然，海藻钠对虽然对重金属有一定的吸附作用，目前对污水的重金属处理效果并不理想。
所以，利用现存材料中阳离子密度最高，能够中和和吸附所有阴离子物质，以及能螯化重金属离子的支化聚乙烯亚胺(PEI)进行接枝改性，极大地提高了其对金属离子以及污水中阴离子处理能力。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种对原料易得，用量少、净水效果好，处理速度快，尤其重金属有良好的吸附作用的吸附剂，本发明还公开该吸附剂的制备方法与应用。
为此，本发明的提供的第一个技术方案是这样的：
一种重金属吸附剂，结构式如下所示：
Figure BDA0001754591230000021
n为250-340，分子量为：540000-740000。
本发明提供的第二个技术方案是这样的：
一种重金属吸附剂的方法，依次包括下述步骤：通过高碘酸钾氧化海藻酸钠生成二醛结构，而后利用支化聚乙烯亚胺(PEI)上的伯胺与醛基进行席夫碱反应进行接枝，最后还原得到共聚物。
进一步的，上述的一种重金属吸附剂的制备方法，依次包括下述步骤：
1)将海藻酸钠溶于水中配置成为海藻酸钠溶液，将高碘酸钾溶于水中配置高碘酸钾溶液；
2)将步骤1)中的海藻酸钠溶液在醋酸/醋酸钠缓冲溶液中得反应液A，将步骤1)中的高碘酸钾溶液溶解在醋酸/醋酸钠缓冲溶液中得反应液B，并且，用N2鼓泡脱气，冷至4℃，将反应液A和反应液B按照n(ALG):n(IO4 -)＝1:1比例混合，避光反应8～12h，加入乙二醇，终止反应，用乙醇沉析，并反复洗3次，常温至40℃真空干燥24h，得到中间产物；
3)将步骤2)所得的中间产物和支化聚乙烯亚胺(PEI)溶解于pH为4.5的缓冲溶液中，在3-5℃反应12～16小时，透析去除小分子杂质，再用无水乙醇沉析，洗涤，离心，最后加入硼氢化钠溶液3-5℃还原反应14-18h，透析，醇洗，离心烘干，即可得到最终产物。
进一步的，上述的一种重金属吸附剂的制备方法，所述海藻酸钠溶液质量百分浓度为2％；所述高碘酸钾溶液的浓度为0.1mol/L。
进一步的，上述的一种重金属吸附剂的制备方法，所述乙二醇的体积浓度为10％。
进一步的，上述的一种重金属吸附剂的制备方法，步骤2)所述中间产物和支化聚乙
烯亚胺(PEI)的质量比为：1：2～2.4。
进一步的，上述的一种重金属吸附剂的制备方法，所述海藻酸钠溶液与醋酸/醋酸钠缓冲溶液的体积比为2:1；所述的碘酸钾溶液与醋酸/醋酸钠缓冲溶液的体积比为：2:1。
本发明的最后一个技术方案是提供上述的重金属吸附剂作为净水剂的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本申请提供的净水剂具有原料易得，用量少、净水效果好，处理速度快等优点，对金属离子吸附能力强，尤其是对Pb2+、Cu2+、Cd2+离子，适用于工业无机废水处理，如电镀废水、冶金废水、洗煤等污水。
具体实施方式
为了便于本技术人员的理解，下面结合实施例对本发明做出进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
实施例1
本发明提供的一种重金属吸附剂，结构式如下所示
Figure BDA0001754591230000041
其中n为250-340，分子量为：540000-740000，优选的，n为161，分子量为640000。
支化PEI结构：
Figure BDA0001754591230000042
其中PEI分子量为1800。
由聚乙烯亚胺和海藻酸钠接枝合成的产物每个重复单元上均含有大量胺基和羧基基团，且具有极高的分子量，大量M单元氧化成G单元结构，G单元被氧化成二醛结构后接枝PEI，该聚合物上含有大量伯胺仲胺和叔胺，可以提供大量活性基团，对金属产生极强的螯合作用，可除去工业废水中的铜、铬、镉、汞、锌等金属离子。
实施例2
上述重金属吸附剂的制备方法：称取4g海藻酸钠溶于200mL蒸馏水中配置成2％质量浓度的海藻酸钠溶液；将高碘酸钾溶解在水中制备0.1mol/L高碘酸钾溶液，将海藻酸钠溶液和高碘酸钾溶液分别溶解在pH为4.5的醋酸/醋酸钠缓冲溶液中，分别用N2鼓泡脱气，冷至4℃，将用酸/醋酸钠缓冲溶液稀释后的两溶液避光混合反应8h，加入2mL 10％体积浓度的乙二醇终止反应，用乙醇沉析，并反复洗涤3次，常温至40摄氏度真空干燥24h，得到氧化的中间产物。
取2g氧化的中间产物和4g支化聚乙烯亚胺(PEI)置于20mL的pH为4.5的缓冲溶液中4℃反应12小时，透析去除小分子杂质，再用无水乙醇沉析，洗涤，离心，最后加入硼氢化钠溶液4℃还原反应16h，透析，醇洗，离心烘干，即可得到最终产物。
取2ml反应后溶液检测高碘酸钠含量，利用高碘酸钠消耗量计算氧化度，氧化度DO＝396n/m*100％；其中：N高碘酸钠消耗量，为m为样品质量，396为单体相对分子质量，g/mol。得出最终产物氧化度为71％。通过测定N元素含量计算接枝率为23％。
实施例3
上述重金属吸附剂的制备方法：称取4g海藻酸钠溶于200mL蒸馏水中配置成2％
(w/v)海藻酸钠溶液；将高碘酸钾溶解在水中制备0.1mol/L高碘酸钾溶液，将海藻酸钠溶液和高碘酸钾溶液分别溶解在pH为4.5的醋酸/醋酸钠缓冲溶液中，分别用N2鼓泡脱气，冷至4℃，将用酸/醋酸钠缓冲溶液稀释后的两溶液避光混合反应12h，加入乙二醇(10％)终止反应，用乙醇沉析，并反复洗涤3次，常温至40摄氏度真空干燥24h，得到氧化的中间产物。
取2g氧化的中间产物和4.4g支化聚乙烯亚胺(PEI)置于20mL的pH为4.5的缓冲溶液中4℃反应16小时，透析去除小分子杂质，再用无水乙醇沉析，洗涤，离心，最后加入硼氢化钠溶液4℃还原反应16h，透析，醇洗，离心烘干，即可得到最终产物。
取2ml反应后溶液检测高碘酸钠含量，利用高碘酸钠消耗量计算氧化度，氧化度DO＝396n/m*100％；其中：N高碘酸钠消耗量，为m为样品质量，396为单体相对分子质量，g/mol。得出氧化度为71％。通过测定N元素含量计算接枝率为27％(随支化聚乙烯亚胺(PEI)用量增加)。
实施例4
上述重金属吸附剂的制备方法：称取4g海藻酸钠溶于200mL蒸馏水中配置成2％(w/v)海藻酸钠溶液；将高碘酸钾溶解在水中制备0.1mol/L高碘酸钾溶液，将海藻酸钠溶液和高碘酸钾溶液分别溶解在pH为4.5的醋酸/醋酸钠缓冲溶液中，分别用N2鼓泡脱气，冷至4℃，将用酸/醋酸钠缓冲溶液稀释后的两溶液避光混合反应10h，加入乙二醇(10％)终止反应，用乙醇沉析，并反复洗涤3次，常温至40摄氏度真空干燥24h，得到氧化的中间产物。
取2g氧化的中间产物和4.8g支化聚乙烯亚胺(PEI)置于20mL的pH为4.5的缓冲溶液中4℃反应14小时，透析去除小分子杂质，再用无水乙醇沉析，洗涤，离心，最后加入硼氢化钠溶液4℃还原反应16h，透析，醇洗，离心烘干，即可得到最终产物。取2ml反应后溶液检测高碘酸钠含量，利用高碘酸钠消耗量计算氧化度，氧化度DO＝396n/m*100％；其中：N高碘酸钠消耗量，为m为样品质量，396为单体相对分子质量，g/mol。得出氧化中间产物的氧化产率为71％。通过测定N元素含量计算接枝率为30％。
实施例中所述的重金属吸附剂使用量为每处理100mL废水需要重金属吸附剂0.02-0.05g。
为了证明本发明提供的技术方案的效果，下面给出本发明提供的重金属吸附剂的应用性试验：
案例1
取100mL某化工厂电镀废水(各离子含量分别为：Cu2+：38.7ppm、Cd2+：30ppm)加入烧杯中，加稀硝酸溶液调pH至5.5，转速300r/min，加入实施例1中重金属吸附剂0.05g，常温下搅拌反应，10min后停止搅拌，离心分离，取上清液，用分光光度计测量吸附后的重金属离子浓度分别为Cu2+：0.5ppm、Cd2+:0.7ppm。
案例2
取100mL废水(各离子含量分别为：Cu2+：38.7ppm、Cd2+：30ppm)加入烧杯中，加稀硝酸或稀氢氧化钠溶液调pH至7.0，转速300r/min，加入实施例2中重金属吸附剂0.05g，常温下搅拌反应，10min后停止搅拌，离心分离，取上清液用分光光度计测量吸附后的重金属离子浓度Cu2+：0.4ppm、Cd2+：0.5ppm。
案例3
取100mL废水(各离子含量分别为：Cu2+：38.7ppm、Cd2+：30ppm)加入烧杯中，加稀氢氧化钠溶液调pH至9.0，转速300r/min，加入实施例1中重金属吸附剂0.05g，常温下搅拌反应，10min后停止搅拌，离心分离，取上清液用分光光度计测量吸附后的重金属离子浓度Cu2 +：0.4ppm、Cd2+：0.4ppm。
案例4
取100mL废水(各离子含量分别为：Cu2+：38.7ppm、Cd2+：30ppm)加入烧杯中，加稀硝酸或稀氢氧化钠溶液调pH至9.0，转速300r/min，加入实施例3中重金属吸附剂0.02g，常温下搅拌反应，10min后停止搅拌，离心分离，取上清液用分光光度计测量吸附后的重金属离子浓度Cu2+：7.5ppm、Cd2+：19.3ppm。
案例5
取100mL废水(各离子含量分别为：Cu2+：38.7ppm、Cd2+：30ppm)加入烧杯中，加稀硝酸或稀氢氧化钠溶液调pH至9.0，转速300r/min，加入实施例2中重金属吸附剂0.10g，常温下搅拌反应，10min后停止搅拌，离心分离，取上清液用分光光度计测量吸附后的重金属离子浓度Cu2+：0.3ppm、Cd2+：0.3ppm。
对比案例1
取100mL废水(各离子含量分别为：)加入烧杯中，加稀硝酸或稀氢氧化钠溶液调pH至9.0，转速300r/min，加入海藻酸钠0.04g，常温下搅拌反应，30min后停止搅拌，离心分离，取上清液用分光光度计测量吸附后的重金属离子浓度Cu2+：15.5ppm、Cd2+：17.2ppm。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种重金属吸附剂，其特征在于，结构式如下所示：
Figure 956138DEST_PATH_IMAGE001
n为250-340；
所述的重金属吸附剂作为净水剂。
2.一种权利要求1所述的重金属吸附剂的制备方法，其特征在于，通过高碘酸钾氧化海藻酸钠生成二醛结构，而后利用支化聚乙烯亚胺上的伯胺与醛基进行席夫碱反应进行接枝，最后还原得到共聚物。
3.根据权利要求2所述的一种重金属吸附剂的制备方法，其特征在于，依次包括下述步骤：
1）将海藻酸钠溶于水中配置成为海藻酸钠溶液，将高碘酸钾溶于水中配置高碘酸钾溶液；
2）将步骤1）中的海藻酸钠溶液在醋酸/醋酸钠缓冲溶液中得反应液A，将步骤1）中的高碘酸钾溶液溶解在醋酸/醋酸钠缓冲溶液中得反应液B，并且，用N2鼓泡脱气，冷至4℃，将反应液A和反应液B按照n(ALG) : n(IO4 -) = 1:1比例混合，避光反应8~12h，加入2mL 10%体积浓度的乙二醇终止反应，用乙醇沉析，并反复洗3次，常温至40℃真空干燥24h，得到中间产物；
3）将步骤2）所得的中间产物和支化聚乙烯亚胺溶解于pH为4.5的缓冲溶液中，在3-5℃反应12~16小时，透析去除小分子杂质，再用无水乙醇沉析，洗涤，离心，最后加入硼氢化钠溶液3-5℃还原反应14-18h，透析，醇洗，离心烘干，即可得到最终产物。
4.根据权利要求3所述的一种重金属吸附剂的制备方法，其特征在于，所述海藻酸钠溶液质量百分浓度为2%；所述高碘酸钾溶液的浓度为0.1~0.25mol/L。
5.根据权利要求3所述的一种重金属吸附剂的制备方法，其特征在于，所述乙二醇的体积浓度为10%。
6.根据权利要求3所述的一种重金属吸附剂的制备方法，其特征在于，所述海藻酸钠溶液与醋酸/醋酸钠缓冲溶液的体积比为2：1；所述的碘酸钾溶液与醋酸/醋酸钠缓冲溶液的体积比为：2:1。
7.根据权利要求3所述的一种重金属吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤2）所述中间产物和支化聚乙烯亚胺（PEI）的质量比为：1：2~2.4。
8.权利要求1所述的重金属吸附剂作为净水剂的应用。
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