CN109364894A - 一种快速吸附汞离子的复合海绵吸附剂的制备方法及用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种快速高效吸附水溶液中汞离子的复合海绵吸附剂的制备方法及其用途。该方法采用廉价易得的纤维素、木质素或小麦蛋白粉作为基体原料，通过对其高速分散获得悬浮液，再加入不同量的壳聚糖、甲壳素和聚乙烯醇或聚乙二醇，通过简单的交联和冻干结合法，制备复合海绵吸附剂。整个制备过程均在水溶液中进行，工艺简单易操作，无需特殊的工艺设备，成本低。通过该方法制备得到的海绵吸附材料吸附速率快，对汞离子具有较高的选择性吸附能力，且受酸碱度的影响较小，可循环多次使用，绿色环保。在实际重金属废水处理中具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于水体重金属处理技术领域，涉及一种快速高效去除水溶液中汞离子的复合海绵吸附剂的制备。
背景技术
工业废水中有毒重金属离子导致的环境污染问题越来越引起人们的密切重视。水体重金属离子污染包括矿冶、化工等工业生产过程中产生的废水，汞、镉、铅、铜等重金属超标现象尤为严重，因为它们在较低浓度下就有很强的毒性，是排放前必须处理的污染物。在这些重金属离子中，汞离子被认为是最危险的一类。因为无机汞离子在水体中可通过微生物的作用转变成剧毒的甲基汞，在生物体内大量富集后经食物链进入人体，引起各种疾病。如可损害神经系统，行动迟缓等症状，严重时可导致心力衰竭而死亡。日本著名的公害病——水俣病即为甲基汞慢性中毒。基于汞的危害性，我国于2015年4月2日印发的《水污染防治行动计划》中将重金属纳入污染物排放总量控制约束性指标体系，并将加大重金属等严重影响人体健康的污染物的治理力度。因此，寻找有效的处理方法是修复重金属污染的关键。
当前脱汞的技术主要包括化学沉淀法、离子交换法、膜分离、生物处理、固体相萃取和吸附法等，但这些技术的应用受到工艺和经济的限制。吸附法作为一种高效、环保、可循环而又经济的污水净化与分离方法被广泛应用。针对传统吸附剂(如活性炭、分子筛、粘土等)回收困难、选择性低、价格昂贵等缺点，吸附型海绵材料的开发意义重大。海绵材料的高比表面积、高孔隙率和内外孔相通的结构特点使其具有吸附容量大、吸附速率快等优点。另外，海绵材料通常以块体形式使用，吸附之后直接从水中打捞出来即可，后处理简单，因而非常适合用于水体重金属污染的治理。
发明内容
本发明目的在于，提供一种快速高效去除水溶液中汞离子的复合海绵吸附剂制备方法及其用途。该吸附剂由纤维素、木质素或小麦蛋白粉，壳聚糖或甲壳素和聚乙烯醇或聚乙二醇组成，采用交联法制备，交联剂采用戊二醛、环氧氯丙烷或京尼平。该方法简单可行，成本低廉，环境友好，获得的复合海绵吸附剂具有大的比表面积和丰富的孔结构，并具有吸附水溶液中汞离子的用途。
本发明所述的一种快速去除水溶液中汞离子的复合海绵吸附剂的制备方法，其特征在于采用交联和冻干相结合的方法制备，具体操作按下列步骤进行：
a、将纤维素、木质素或小麦蛋白粉加入水中，通过高速分散配制成1-10％的悬浮液，备用；
b、将壳聚糖或甲壳素溶于1-5％的乙酸溶液中，配制成1％-30％壳聚糖或甲壳素溶液，备用；
c、将聚乙烯醇或聚乙二醇溶于水中，配制2-10％的聚乙烯醇或聚乙二醇溶液，备用；
d、按质量分数将步骤b得到的壳聚糖或甲壳素溶液10-50％和步骤c所得聚乙烯醇或聚乙二醇溶液1-20％加入步骤a所得到的纤维素、木质素或小麦蛋白粉悬浮液7.5％-75％中，在水浴温度20-40℃机械搅拌2-12h后，加入1-10％的交联剂戊二醛、环氧氯丙烷或京尼平，继续搅拌3-12h；
e、将步骤d所形成的交联产物冷冻干燥12-36h后，用0.5-2mol/L氢氧化钠浸泡8-12h，并用乙醇和去离子水洗涤至中性，冻干，即得复合海绵吸附剂。
通过该方法获得的复合海绵吸附剂具有三维网络大孔结构，比表面积为150-300m2/g，应压力为0.2MPa-2.0MPa。
所述方法获得的复合海绵吸附剂在制备去除水溶液中二价汞离子的用途。
本发明所述的一种快速去除水溶液中汞离子的复合海绵吸附剂制备方法及其用途，通过该方法获得的复合海绵吸附剂在水溶液中吸附汞离子的性能分析：将20mg复合海绵吸附剂加入到20mL浓度为600mg/L的含二价汞离子的处理液中，用0.1mol/L的硝酸或氢氧化钠溶液调溶液的pH为5.5，温度30℃，摇床速度150rpm/min，处理2min后检测处理液中汞离子的浓度并计算得到吸附量和吸附率。
本发明所述的一种快速去除水溶液中汞离子的复合海绵吸附剂制备方法，该方法的优点是：(1)所用的基体为纤维素、木质素或小麦蛋白粉，在我国储量丰富、取材容易、价格低廉，因此本发明的制备成本较低；(2)整个制备过程均在水溶液中进行，制备方法简单易行，无需特殊的工艺设备，成本低，能耗低，环境友好，且重复使用性强，绿色环保，易于产业化；
通过本发明所述的制备方法获得的复合海绵吸附剂的优点是：(1)具有三维网络大孔结构；(2)具有较大的比表面积增加了金属离子与吸附剂的接触几率并进行有效的络合，对汞离子具有快速的吸附性能；(3)优越的应压力，使海绵吸附剂易于分离和回收。
有益效果：本发明所述的一种快速去除水溶液中汞离子的复合海绵吸附剂，通过交联法制备，相比于传统吸附剂，具有更快的吸附速率和更高的汞离子吸附量。
本发明实施例中使用的原料是纤维素、木质素或小麦蛋白粉，壳聚糖或甲壳素和聚乙烯醇或聚乙二醇组成，交联剂为戊二醛、环氧氯丙烷或京尼平，采用交联法制备，获得复合海绵吸附剂，由此推断：当采用其他相似原料时，也能实现本发明的技术效果。
具体实施方式
本发明提供的实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明的技术方案，但不以任何方式限制本发明；
实施例1
a、将纤维素加入水中，通过高速分散配制成7％的悬浮液，备用；
b、将壳聚糖溶于1％的乙酸溶液中，配制成2％的壳聚糖溶液，备用；
c、将聚乙烯醇溶于水中，配制10％的聚乙烯醇溶液，备用；
d、按质量分数将步骤b壳聚糖溶液50％和步骤c所得聚乙烯醇溶液5％加入步骤a纤维素悬浮液7.5％中，在水浴温度30℃下机械搅拌4h后，加入占混合物5％的交联剂戊二醛，继续搅拌6h；
e、将步骤d所形成的交联产物冷冻干燥12h后，用0.5mol/L氢氧化钠浸泡12h，并用乙醇和去离子水依次洗涤至中性，冻干，即得复合海绵吸附剂，该吸附剂比表面积为150m2/g，应压力为0.5MPa；
复合海绵吸附剂在水溶液中吸附汞离子的性能分析：将所得20mg复合海绵吸附剂加入到20mL浓度为600mg/L的含二价汞离子的处理液中，用0.1mol/L的硝酸溶液调溶液的pH为5.5，温度30℃，摇床速度150rpm/min，处理2min后检测处理液中汞离子的浓度并计算得到吸附量为578.4mg/g，吸附率为92.7％。
实施例2
a、将木质素加入水中，通过高速分散配制成3％的悬浮液，备用；
b、将甲壳素溶于2％的乙酸溶液中，配制成20％甲壳素溶液，备用；
c、将聚乙烯醇溶于水中，配制5％的聚乙烯醇溶液，备用；
d、按质量分数将所得步骤b甲壳素溶液30％和步骤c聚乙烯醇溶液10％加入步骤a木质素悬浮液15％中，在水浴温度25℃下机械搅拌6h后，加入占混合物1％的交联剂环氧氯丙烷，继续搅拌8h；
e、将步骤d所形成的交联产物冷冻干燥18h后，用1.0mol/L氢氧化钠浸泡10h，并用乙醇和去离子水依次洗涤至中性，冻干，即得复合海绵吸附剂，该吸附剂比表面积为175m2/g，应压力为0.95MPa；
复合海绵吸附剂在水溶液中吸附汞离子的性能分析：将得到的20mg复合海绵吸附剂加入到20mL浓度为600mg/L的含二价汞离子的处理液中，用0.1mol/L的氢氧化钠溶液调溶液的pH为5.5，温度30℃，摇床速度150rpm/min，处理2min后检测处理液中汞离子的浓度并计算得到吸附量为464.5mg/g，吸附率为88.9％。
实施例3
a、将小麦蛋白粉加入水中，通过高速分散配制成5％的悬浮液，备用；
b、将甲壳素溶于3％的乙酸溶液中，配制成10％甲壳素溶液，备用；
c、将聚乙二醇溶于水中，配制4％的聚乙二醇溶液，备用；
d、按质量分数将所得步骤b甲壳素溶液15％和步骤c聚乙二醇溶液8％加入步骤a小麦蛋白粉悬浮液30％中，在水浴温度20℃下机械搅拌10h后，加入占混合物10％的交联剂京尼平，继续搅拌10h；
e、将步骤d所形成的交联产物冷冻干燥20h后，用1.5mol/L氢氧化钠浸泡8h，并用乙醇和去离子水依次洗涤至中性，冻干，即得复合海绵吸附剂，该吸附剂比表面积为200m2/g，应压力为1.25MPa；
复合海绵吸附剂在水溶液中吸附汞离子的性能分析：将得到的20mg复合海绵吸附剂加入到20mL浓度为600mg/L的含二价汞离子的处理液中，用0.1mol/L的硝酸溶液调溶液的pH为5.5，温度30℃，摇床速度150rpm/min，处理2min后检测处理液中汞离子的浓度并计算得到吸附量为507.9mg/g，吸附率为93.1％。
实施例4
a、将纤维素加入水中，通过高速分散配制成6％的悬浮液，备用；
b、将甲壳素溶于4％的乙酸溶液中，配制成15％甲壳素溶液，备用；
c、将聚乙二醇溶于水中，配制8％的聚乙二醇溶液，备用；
d、按质量分数将得到的步骤b甲壳素溶液25％和步骤c聚乙二醇溶液15％加入步骤a纤维素悬浮液45％中，在水浴温度25℃下机械搅拌8h后，加入占混合物2％的交联剂戊二醛，继续搅拌6h；
e、将步骤d所形成的交联产物冷冻干燥25h后，用2.0mol/L氢氧化钠浸泡12h，并用乙醇和去离子水依次洗涤至中性，冻干，即得复合海绵吸附剂，该吸附剂比表面积为225m2/g，应压力为0.75MPa；
复合海绵吸附剂在水溶液中吸附汞离子的性能分析：将得到的20mg复合海绵吸附剂加入到20mL浓度为600mg/L的含二价汞离子的处理液中，用0.1mol/L的氢氧化钠溶液调溶液的pH为5.5，温度30℃，摇床速度150rpm/min，处理2min后检测处理液中汞离子的浓度并计算得到吸附量为557.2mg/g，吸附率为95.2％。
实施例5
a、将木质素加入水中，通过高速分散配制成8％的悬浮液，备用；
b、将壳聚糖溶于5％的乙酸溶液中，配制成30％壳聚糖溶液，备用；
c、将聚乙二醇溶于水中，配制5％的聚乙二醇溶液，备用；
d、按质量分数将所得步骤b壳聚糖溶液20％和步骤c聚乙二醇溶液5％加入步骤a木质素悬浮液60％中，在水浴温度40℃下机械搅拌10h后，加入占混合物8％的交联剂环氧氯丙烷，继续搅拌12h；
e、将步骤d所形成的交联产物冷冻干燥36h后，用0.5mol/L氢氧化钠浸泡10h，并用乙醇和去离子水依次洗涤至中性，冻干，即得复合海绵吸附剂，该吸附剂比表面积为275m2/g，应压力为1.27MPa；
复合海绵吸附剂在水溶液中吸附汞离子的性能分析：将得到的20mg复合海绵吸附剂加入到20mL浓度为600mg/L的含二价汞离子的处理液中，用0.1mol/L的氢氧化钠溶液调溶液的pH为5.5，温度30℃，摇床速度150rpm/min，处理2min后检测处理液中汞离子的浓度并计算得到吸附量为473.2mg/g，吸附率为87.1％。
实施例6
a、将小麦蛋白粉加入水中，通过高速分散配制成10％的悬浮液，备用；
b、将壳聚糖溶于2.5％的乙酸溶液中，配制成30％壳聚糖溶液，备用；
c、将聚乙烯醇溶于水中，配制10％的聚乙烯醇溶液，备用；
d、质量分数将所得步骤b壳聚糖溶液11％和步骤c聚乙烯醇溶液4％加入步骤a小麦蛋白粉悬浮液75％中，在水浴温度35℃下机械搅拌12h后，加入占混合物10％的交联剂京尼平，继续搅拌5h；
e、将步骤d所形成的交联产物冷冻干燥32h后，用1.5mol/L氢氧化钠浸泡10h，并用乙醇和去离子水依次洗涤至中性，冻干，即得复合海绵吸附剂，该吸附剂比表面积为300m2/g，应压力为1.54MPa；
复合海绵吸附剂在水溶液中吸附汞离子的性能分析：将得到的20mg复合海绵吸附剂加入到20mL浓度为600mg/L的含二价汞离子的处理液中，用0.1mol/L的硝酸溶液调溶液的pH为5.5，温度30℃，摇床速度150rpm/min，处理2min后检测处理液中汞离子的浓度并计算得到吸附量为581.9mg/g，吸附率为95.8％。
Claims (3)
1.一种快速去除水溶液中汞离子的复合海绵吸附剂的制备方法，其特征在于采用交联和冻干相结合的方法制备，具体操作按下列步骤进行：
a、将纤维素、木质素或小麦蛋白粉加入水中，通过高速分散配制成1-10%的悬浮液，备用；
b、将壳聚糖或甲壳素溶于1-5%的乙酸溶液中，配制成1%-30%壳聚糖或甲壳素溶液，备用；
c、将聚乙烯醇或聚乙二醇溶于水中，配制2-10%的聚乙烯醇或聚乙二醇溶液，备用；
d、按质量分数将步骤b得到的壳聚糖或甲壳素溶液10-50%和步骤c所得聚乙烯醇或聚乙二醇溶液1-20%加入步骤a所得到的纤维素、木质素或小麦蛋白粉悬浮液7.5%-75%中，在水浴温度20-40℃机械搅拌2-12h后，加入1-10%的交联剂戊二醛、环氧氯丙烷或京尼平，继续搅拌3-12h；
e、将步骤d所形成的交联产物冷冻干燥12-36h后，用0.5-2mol/L氢氧化钠浸泡8-12h，并用乙醇和去离子水洗涤至中性，冻干，即得复合海绵吸附剂。
2.根据权利要求1所述的快速高效去除水溶液中汞离子的复合海绵吸附剂的制备方法，其特征在于通过该方法获得的复合海绵吸附剂具有三维网络大孔结构，比表面积为150-300 m2/g，应压力为0.2MPa-2.0MPa。
3.根据权利要求1所述的方法获得的复合海绵吸附剂在制备去除水溶液中二价汞离子的用途。
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