CN109453748A - 高效可逆的脂溶性碳点改性碘吸附材料、制备及应用 - Google Patents

高效可逆的脂溶性碳点改性碘吸附材料、制备及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高效可逆的脂溶性碳点改性碘吸附材料，该吸附材料为表面负载脂溶性碳点的天然生物质材料，所述碳点以烷基吡啶盐为碳源制得，所述的天然生物质材料为农林产物或废弃物。利用脂溶性碳点来构建天然生物质材料的疏水性表面，不但增加了对碘单质的吸附能力、还增加了其在水中的稳定性，且吸附的I2通过简单的化学还原反应即可被释放出来，实现碘的回收，同时也实现了吸附材料的循环利用，具有很好的循环使用稳定性。

Description

高效可逆的脂溶性碳点改性碘吸附材料、制备及应用
技术领域
本发明属于天然生物质吸附材料应用技术领域，涉及天然生物质改性的碘吸附材料，具体涉及一种脂溶性碳点改性天然生物质碘吸附材料及其改性和吸附应用。
技术背景
由于核能的广泛应用，大量的放射性废料被释放到环境中，给生态系统带来极大的威胁。自从1986年的切尔诺贝利和2011年的福岛核灾难以后，核废料引起的环境和健康问题越来越受重视。碘是放射性核物质的主要组成部分，包括129I和131I。129I是核原子裂变不可避免的副产物，且半衰期为1.57×107年，在环境中给公众带来威胁，因此必须被捕捉并稳定储存。但是，131I是一个半衰期很短的同位素，只有8.02天，被广泛用于甲状腺疾病的放射性治疗。放射性碘进入环境会直接影响人体的新陈代谢，因此，对环境中放射碘的高效捕捉和回收已非常急迫。
目前，很多方法已被用于捕捉水体中的放射性碘，主要分为两种方法，一种是化学吸附，另一种是物理吸附。化学吸附主要基于碘离子和吸附剂物质的化学反应，如Bi3+、Hg2 +、Ag+、Cu+等被用于与I-形成沉淀而从水体中除去。这是一种有效的除碘方法，适用于从大体积的水体中吸附并回收碘离子，但吸附剂材料不但昂贵，大量使用还会引起环境问题。而且，由于物质与碘离子间的化学键合，解离效率低，可回收率低。对碘的物理吸附需要疏水表面，其对水体中的碘单质吸附起非常重要的作用。因此各种无机多孔材料、活性碳、沸石、金属有机框架(MOF)化合物和离子液体被合成并用于碘的吸附。因此这两种方法相比，物理吸附更简单和经济，更具有应用前景。在这些材料中，MOF被广泛研究用于碘的吸附剂。然而，其复杂的合成过程和在酸条件下的不稳定性限制了其应用。并且，由于MOF的富电子有机键会还原溶液中的I2生成I-，因此降低了MOF对碘的吸附能力，从而限制了其应用。
作为一种新的碳纳米材料，碳点(CDs)被广泛关注，由于其极具前景的光致发光光谱、优异的物化性质、低毒性、低廉的价格和生物适应性，而被广泛应用于生物成像、传感、光催化和太阳能电池。但目前研究的碳点大多数都是亲水的，关于疏水性碳点的研究特别是应用研究很少有相关报道。
发明专利CN201810130028.5，公开了一种碳点改性金属有机骨架吸附材料的制备方法及水体污染物治理应用。采用溶剂热法制备水溶性的液态碳点溶液，将得到的碳点分散在含有Co(NO3)2·6H2O的水溶液中，得到金属有机骨架-碳点复合材料，将得到的金属有机骨架-碳点复合材料用水和甲醇纯化，并低温烘干得到碳点改性的MOF吸附材料。该碳点改性的MOF吸附材料应用于水体有机污染物的吸附，采用的碳点为水溶性碳点，不适用于水体中的碘吸附。
发明内容
为了解决水体中放射性碘的污染问题，本发明提供了一种高效可逆的脂溶性碳点改性碘吸附材料，利用脂溶性碳点改性天然生物质材料，采用脂溶性碳点来构建天然生物质材料的疏水性表面，不但增加了对碘单质的吸附能力、还增加了其在水中的稳定性，且吸附的I2通过简单的化学还原反应即可被释放出来，实现碘的回收，同时也实现了吸附材料的循环利用，具有很好的循环使用稳定性。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种高效可逆的脂溶性碳点改性碘吸附材料，该吸附材料为表面负载脂溶性碳点的天然生物质材料，所述碳点以烷基吡啶盐为碳源制得，所述的天然生物质材料为农林产物或废弃物。
所述的农林产物或废弃物是指棉花、草、稻壳、木屑、玉米芯和树叶等。
优选地，所述天然生物质材料为棉纤维。
进一步优选地，碳点的负载量为0-400mg/g。
本发明所述的烷基吡啶盐为十二烷基吡啶、十四烷基吡啶和十六烷基吡啶盐酸盐中的一种或者几种。
优选地，所述的烷基吡啶盐为十六烷基吡啶盐酸盐。十六烷基吡啶盐酸盐的疏水性能更佳。
本发明提供了一种脂溶性碳点改性碘吸附材料的制备方法，包括以下步骤：
A、NaOH加入烷基吡啶盐溶液反应，烷基吡啶盐碳化形成脂溶性碳点，向溶液中加入石油醚，分离出有机相并蒸发掉有机相溶剂，即可获得脂溶性碳点粉末，然后将其分散于有机溶剂中，用其配制成一定浓度的碳点溶液；
B、取天然生物质材料分散到碳点溶液中，缓慢搅拌1-3小时，达到吸附平衡后，离心分离，用水清洗3次，干燥，得到负载脂溶性碳点的改性天然生物质吸附材料。
优选地，所述有机溶剂为乙醇，溶液中碳点和乙醇的质量比为0.1～5，乙醇具有较低的毒性，且脂溶性碳点在乙醇中具有较好的分散性。
本发明还提供了脂溶性碳点改性碘吸附材料的应用，包括以下步骤：
A1、向含碘溶液中加入Na2SO3，调溶液至酸性，搅拌2min后再加入过量双氧水；
A2、再将碳点改性的吸附剂浸入A1步骤处理过的含碘溶液，对其中的碘进行吸附；
A3、吸附结束后，取出改性吸附剂材料，浸入Na2SO3溶液,碘从纤维材料上解离出来，取出吸附剂材料，水洗，使吸附剂材料循环利用。
优选地，所述的A1步骤，酸性溶液的pH<4。
优选地，所述的A3步骤，Na2SO3溶液的pH<4，浓度>100mM。在该条件下的IO3 -被完全转化为I2。
可用盐酸、硫酸等调节溶液酸性。
本发明的脂溶性碳点改性天然生物质材料只吸附溶液中的I2,而自然界中的碘主要以IO3 -和I-的形式存在于水体中，因此在吸附前先用Na2SO3将溶液中的IO3 -还原成I-，再用过量双氧水将I-完全氧化为I2，在这个氧化-还原过程中，IO3 -和I-都被转化为I2，由于I2非极性和脂溶性碳点改性天然生物质吸附剂表面的疏水性，I2会迅速从水相迁移至吸附剂表面。
吸附完成后，通过将吸附有I2的吸附剂材料转移至含有Na2SO3的水溶液中，就能将吸附的I2还原为I-。由于I-优异的水溶性，I-能从吸附剂的疏水性表面快速转移到水溶液中，从而实现吸附材料上被吸附I2的解吸附，不仅能除去和收集放射性碘，还能实现脂溶性碳点改性天然生物质吸附材料的循环利用。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过直接负载脂溶性碳点到天然生物质材料的表面，设计和构建了天然生物质材料的疏水性表面，可用于水体中碘单质的吸附。吸附原理是利用I2分子的非极性性质和吸附材料的疏水性从而实现I2在天然生物质材料表面的物理吸附，疏水性碳点的改性极大地提高了天然生物质吸附材料对I2的吸附率。另外，脂溶性碳点构建的疏水性表面还能阻止其他水溶性离子的吸附，从而提高了其对碘吸附的选择性。吸附完成后，再将吸附有I2的吸附剂转移到另一含有Na2SO3的溶液中，其中的Na2SO3会将吸附的I2还原成I-，利用碘离子优异的水溶性，使其快速地从吸附材料的表面转移到水溶液中，从而实现吸附材料中碘的解吸附及回收利用。因此该吸附剂不仅能有效地除去和收集放射性碘，还能被循环利用，且具有良好的循环使用稳定性和重现性。
2、关于疏水性碳点的研究特别是应用研究很少有相关报道，因此，设计制备疏水性碳点，并用其修饰天然的生物质材料，构建具有疏水性表界面的吸附剂，用于吸附水中的碘，对水体中碘的去除及回收具有重要的意义。采用疏水性碳点表界面改性的天然生物质作为吸附剂，不但可以提高对碘的吸附能力，还可以将农林废弃物进行回收利用，以解决吸附剂制备成本高、稳定性不好等不足。
3、本发明选用烷基吡啶制备碳点，是由于其在有机溶液中有很好的分散性，证明其有很好的疏水性，用该疏水性碳点修饰天然生物质材料能构建其疏水表面，有利于极大地提高水体中碘的吸附效率。
附图说明
图1为脂溶性碳点改性棉纤维的多次循环利用稳定性实验结果图。
图2为各种天然生物质材料在脂溶性碳点改性前和改性后的碘吸附率实验对比结果；其中，a为草、b为稻壳、c为玉米芯、d为木屑、e为银杏树叶、f为棉纤维。
具体实施方式
为了更加清楚、详细地说明本发明的目的技术方案，下面通过相关实施例对本发明进行进一步描述。以下实施例仅为具体说明本发明的实施方法，并不限定本发明的保护范围。
实施例1
一种高效可逆的脂溶性碳点改性碘吸附材料，该吸附材料为表面负载脂溶性碳点的干草，所述脂溶性碳点以十四烷基吡啶盐酸盐为碳源制得。
实施例2
一种高效可逆的脂溶性碳点改性碘吸附材料，该吸附材料为表面负载脂溶性碳点的稻壳，所述脂溶性碳点以十六烷基吡啶盐酸盐为碳源制得。
实施例3
一种高效可逆的脂溶性碳点改性碘吸附材料，该吸附材料为表面负载脂溶性碳点的木屑，所述脂溶性碳点以十二烷基吡啶盐酸盐为碳源制得。
实施例4
一种高效可逆的脂溶性碳点改性碘吸附材料，该吸附材料为表面负载碳点的银杏树叶，所述脂溶性碳点以十四烷基吡啶盐酸盐和十六烷基吡啶盐酸盐为碳源制得。
实施例5
一种高效可逆的脂溶性碳点改性碘吸附材料，该吸附材料为表面负载脂溶性碳点的棉纤维，所述脂溶性碳点以十六烷基吡啶盐酸盐为碳源制得。
本发明脂溶性碳点改性碘吸附材料的制备方法，包括以下步骤：
A、NaOH加入烷基吡啶盐溶液反应，烷基吡啶盐碳化形成脂溶性碳点，向溶液中加入石油醚，分离出有机相并蒸发掉有机相溶剂，即可获得脂溶性碳点粉末，然后将其分散于有机溶剂中，用其配制成一定浓度的碳点溶液；
B、取天然生物质材料分散到碳点溶液中，缓慢搅拌1-3小时，达到吸附平衡后，离心分离，用水清洗3次，干燥，得到负载脂溶性碳点的改性天然生物质吸附材料。
实施例6
脂溶性碳点的合成
室温下，将10mL NaOH(2mol/L)加入氯化十六烷基吡啶溶液(1L，0.1mol/L)，室温下反应12小时，溶液从无色变为淡黄色，再随反应进行变成深红色，说明氯化十六烷基吡啶已碳化，溶液中析出沉淀形成疏水性碳点。加入100mL石油醚，碳点由于其优异的疏水性快速进入有机相，分离出水相，蒸发溶剂，即可获得脂溶性碳点粉末，并将其分散于一定体积的乙醇溶液中，配制一定浓度的碳点-乙醇溶液。
碳点-乙醇溶液中碳点和乙醇的质量比为0.1～5。
脂溶性碳点改性棉纤维
称取一定量的棉纤维分散到制备的碳点-乙醇溶液中，室温下缓慢搅拌1小时，棉纤维由白色变成褐色，说明脂溶性碳点对其表面的改性已完成。离心分离(2000rpm，5min)，水洗3次，60℃真空干燥2小时，得到不同负载量的脂溶性碳点棉纤维。
按该方法分别制得多个不同碳点负载量的脂溶性碳点棉纤维，并进行碘的吸附实验，结果发现负载量越大，吸附量越大，当负载量为400mg/g时，碘吸附达到平衡，不会再随负载量而增加。
本发明脂溶性碳点改性碘吸附材料的应用，包括以下步骤：
A1、向含碘溶液中加入Na2SO3，调溶液至酸性，搅拌2min后再加入过量双氧水；
A2、再将碳点改性的吸附剂浸入A1步骤处理过的含碘溶液，对其中的碘进行吸附；
A3、吸附结束后，取出改性吸附剂材料，浸入Na2SO3溶液,碘从纤维材料上解离出来，取出吸附剂材料，水洗，使吸附剂材料循环利用。
所述A1步骤，酸性溶液的pH<4。
所述的A3步骤，Na2SO3溶液的pH<4，浓度>100mM。
先用Na2SO3将溶液中的IO3 -还原成I-，再用过量的双氧水将I-完全氧化为I2，在pH<4的酸性条件下，IO3 -和I-被转化为I2，由于I2非极性和碳点改性纤维的疏水性，I2迅速从水相迁移至纤维的表面。
实施例7
将Na2SO3加入IO3 -溶液中(400ppm，50mL)，用HCl(1:1,v/v)调pH至1.0，在pH为1.0的酸性条件下，IO3 -和I-都能被稳定地转化为I2，两分钟后，加入过量的双氧水，在这个氧化-还原过程中，IO3 -和I-都被转化为I2，然后加入事先制备的吸附材料，室温下缓慢搅拌。
在这个反应过程中，间隔一段时间就取0.5mL反应液并测其紫外-可见光吸收光谱研究其动力学，为了获得I2的准确浓度，每个样本至少检测3次。
分别将实验例6制得的脂溶性碳点改性棉纤维(碳点负载量为232mg/g)和改性前的棉纤维加入含碘水溶液中(200ppm)进行碘的吸附实验，结果显示，脂溶性碳点改性棉纤维的碘饱和吸附量为118mg/g，改性前棉纤维的碘饱和吸附量为20mg/g，说明脂溶性碳点改性棉纤维对碘的吸附能力明显高于改性前的棉纤维。
循环利用稳定性实验
在放射性碘吸附的应用中，吸附材料的循环稳定性非常重要，一直是个难以攻克的难题。
在相同条件下按本发明应用方法对脂溶性碳点改性棉纤维的循环利用稳定性进行了实验，I2解吸附后，碳点改性棉纤维再次用于碘吸附，对解吸附和吸附的过程进行了多次重复实验，实验结果(图1)表明，前两次循环的碘吸附量略有减少，第三次循环的碘吸附量几乎保持不变，说明碳点改性棉纤维具有良好的循环稳定性，这归功于脂溶性碳点优良的疏水性能。实验证明脂溶性碳点改性棉纤维能很好的循环利用，并具备优异的循环稳定性，极具实用性。
本发明还对各种天然生物质吸附材料在脂溶性碳点改性前和改性后对碘的吸附性能进行了对比实验，包括草、稻壳、玉米芯、木屑、银杏树叶和棉纤维，图2的实验结果表明，改性后的各种天然生物质材料的碘吸附效率均有明显提高，表明利用脂溶性碳点改性构建天然生物质材料疏水性表面的方法具有普适性，可用于多种吸附材料。

Claims (10)

1.一种高效可逆的脂溶性碳点改性碘吸附材料，其特征在于，该吸附材料为表面负载脂溶性碳点的天然生物质材料，所述碳点以烷基吡啶盐为碳源制得，所述的天然生物质材料为农林产物或废弃物。
2.根据权利要求1所述高效可逆的脂溶性碳点改性碘吸附材料，其特征在于，所述天然生物质材料为棉纤维。
3.根据权利要求2所述高效可逆的脂溶性碳点改性碘吸附材料，其特征在于，碳点的负载量为0-400mg/g。
4.根据权利要求1所述高效可逆的脂溶性碳点改性碘吸附材料，其特征在于，所述的烷基吡啶盐为十二烷基吡啶、十四烷基吡啶和十六烷基吡啶盐酸盐中的一种或者几种。
5.根据权利要求4所述高效可逆的脂溶性碳点改性碘吸附材料，其特征在于，所述的烷基吡啶盐为十六烷基吡啶盐酸盐。
6.根据权利要求1所述脂溶性碳点改性碘吸附材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、NaOH加入烷基吡啶盐溶液反应，烷基吡啶盐碳化形成脂溶性碳点，向溶液中加入石油醚，分离出有机相并蒸发掉有机相溶剂，即可获得脂溶性碳点粉末，然后将其分散于有机溶剂中，配制成一定浓度的碳点溶液；
B、取天然生物质材料分散到碳点溶液中，缓慢搅拌1-3小时，达到吸附平衡后，离心分离，用水清洗3次，干燥，得到负载脂溶性碳点的改性天然生物质吸附材料。
7.根据权利要求6所述脂溶性碳点碘吸附材料的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇，溶液中碳点和乙醇的质量比为0.1～5。
8.根据权利要求1所述脂溶性碳点改性碘吸附材料的应用，其特征在于，包括以下步骤：
A1、向含碘溶液中加入Na2SO3，调溶液至酸性，搅拌2min后再加入过量双氧水；
A2、再将碳点改性的吸附剂浸入A1步骤处理过的含碘溶液，对其中的碘进行吸附；
A3、吸附结束后，取出改性吸附剂材料，浸入Na2SO3溶液,碘从纤维材料上解离出来，取出吸附剂材料，水洗，使吸附剂材料循环利用。
9.根据权利要求8所述脂溶性碳点改性碘吸附材料的应用，其特征在于，所述的A1步骤，酸性溶液的pH<4。
10.根据权利要求8所述脂溶性碳点改性碘吸附材料的应用，其特征在于，所述的A3步骤，Na2SO3溶液的pH<4，浓度>100mM。
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