CN110339821A - 一种利用富勒烯制备重金属离子吸附剂的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用富勒烯制备重金属离子吸附剂的方法及设备，所述设备包括：控制模块，所述控制模块与称重模块电连接，所述控制模块控制称重模块对原料进行称重；所述称重模块接收控制模块的指令，并对原料进行称重；所述方法包括：S1.利用所述设备称取富勒烯、羧甲基纤维素、β‑环糊精依次加入到去离子水中，搅拌，得混合液；S2.向S1所述混合液中加入氢氧化钠继续搅拌；S3.向S2中滴入环氧氯丙烷，继续搅拌，得反应产物；S4.将所述反应产物进行处理，即得重金属吸附剂；这种方法简单，所述设备有利于精确控制反应，利用该设备以及该方法制得的吸附剂对水质中重金属离子铅和镉具有很好的吸附效果且再生性强。
Description
技术领域
本发明涉及机械技术领域，尤其是涉及一种利用富勒烯制备重金属离子吸附剂的方法及设备。
背景技术
由于工业的快速发展，环境污染日益严重，尤其是水质重金属污染，而重金属对人体危害极大，其容易在人体内累积，不易排出，影响人的智力和生长发育，造成儿童生长发育迟缓。因此，去除水中的重金属离子是人们需要迫切解决的问题。
目前，处理水中重金属离子的方法有很多种，比如吸附法、化学沉淀法和电沉积法等。但是，吸附法目前是比较环保的一种方法，且效果佳，因此被广泛的应用。但在制备吸附剂时所用设备不够自动化、智能化，在称取原料以及反应时，对反应的控制不够精确，会大大影响所得到的吸附剂的性能。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供一种利用富勒烯制备重金属离子吸附剂的方法和设备，利用本发明提供的设备和方法制备的重金属吸附剂对水质中重金属离子具有很好的吸附效果且再生性强。
本发明采用的技术方案如下：
一种制备重金属离子吸附剂的设备，所述设备包括：
控制模块，所述控制模块与称重模块电连接，所述控制模块控制称重模块对原料进行称重；
称重模块，所述称重模块接收控制模块的指令，并对原料进行称重。
进一步地，所述设备还包括：
加料模块，所述加料模块接收控制模块的指令，并将称重模块称重后的原料加入到反应釜内，所述反应釜包括第一反应釜；
搅拌模块，所述搅拌模块用于通过搅拌杆对第一反应釜内的原料进行搅拌；
粘度获取模块，用于获取搅拌过程中反应液的粘度，所述粘度获取模块至少包括两个粘度获取子模块，每个粘度获取子模块包括一个粘度传感器，用以获取第一反应釜内不同位置的反应液在预设时间内的粘度；
所述控制模块分别与搅拌模块、粘度获取模块电连接，所述控制模块控制搅拌模块对加料模块加入至第一反应釜内的原料进行搅拌，所述控制模块还控制粘度获取模块获取预设时间内的反应液不同位置的粘度，并将获取的粘度与预设的粘度区间进行比较，当所获取的粘度处于预设的粘度区间，控制模块控制处理模块对反应得到的产物进行处理。
进一步地，所述处理模块包括：
第一过滤器，所述第一过滤器接收所述控制模块的指令，并将第一反应釜反应完的物料进行过滤，得到第一滤饼；
烘干器，所述烘干器接收所述控制模块的指令，并将第一过滤器得到的第一滤饼进行烘干；
第二反应釜，所述第二反应釜接收所述控制模块的指令，并用以浸泡烘干器的烘干的产物；
第二过滤器，所述第二过滤器接收所述控制模块的指令，并用以过滤第二反应釜的浸泡产物，得到第二滤饼；
冷冻干燥器，所述冷干燥器接收所述控制模块的指令，并用以冷冻干燥第二滤饼；
所述设备还包括：
温度检测器，所述温度检测器用以检测第一反应釜内的反应温度，并将所检测到的温度传送至所述控制模块。
进一步地，所述设备用于富勒烯制备重金属离子吸附剂，制备所述重金属离子吸附剂的原料包括：富勒烯、羧甲基纤维素、β-环糊精、环氧氯丙烷。
一种使用上述所述的设备进行富勒烯制备重金属离子吸附剂的方法，所用原料包括富勒烯、羧甲基纤维素、β-环糊精、氢氧化钠溶液、环氧氯丙烷和均苯四甲酸。
进一步地，所述方法包括下列步骤：
S1.所述控制模块控制称重模块依次称取原料，所述控制模块控制加料模块依次将称重模块称重的原料加入到第一反应釜中；
步骤S1中，所述原料包括：去离子水，富勒烯、羧甲基纤维素、β-环糊精；所述控制模块并控制搅拌模块在加料模块加料过程中以及加料完毕进行搅拌，得混合液；
S2.所述控制模块控制称重模块再称取原料氢氧化钠溶液，并将其加入至S1中的反应液中，所述控制模块控制搅拌模块继续搅拌，得溶液；
S3.所述控制模块控制称重模块再称取原料环氧氯丙烷，并控制加料模块将其加入至步骤S2中的所得溶液中，所述控制模块控制搅拌模块继续搅拌,并控制粘度获取模块获取预设时间内的反应液的粘度，与预设的粘度区间进行比较，得反应产物。
进一步地，所述方法包括下列步骤：
S1.称取100g的去离子水，并加入至第一反应釜中；再依次称取富勒烯、羧甲基纤维素、β-环糊精依次加入到第一反应釜中，控制第一反应釜内的温度为20～45℃，搅拌1～1.5h；
S2.再称取氢氧化钠溶液，并将其加入至S1中的所述混合液中，继续搅拌20～30min，得溶液；
S3.再称取设定量的环氧氯丙烷，并将其加入至S2中的所得溶液中，继续搅拌8～10h，得反应产物；
所述方法还包括以下步骤：
S4.所述控制模块控制处理模块对反应产物进行处理，具体包括：
利用第一过滤器将所得到的反应产物进行过滤，得到第一滤饼，然后将得到的第一滤饼转移至烘干器中，进行烘干；然后称取设定量的均苯四甲酸的醇溶液，并将其加入至第二反应釜中，然后将烘干产物浸入至第二反应釜中，控制浸泡时间为10～15min，然后利用第二过滤器对浸泡液进行过滤，得到第二滤饼，并将得到的第二滤饼放入至冷冻干燥器中进行冷冻干燥，即得重金属吸附剂。
进一步地，所述环氧氯丙烷的加入量为环氧氯丙烷的体积与富勒烯、羧甲基纤维素、β-环糊精和去离子水四者质量之和的比为(8～10mL)：100g。
进一步地，实验中发现所述富勒烯、羧甲基纤维素和β-环糊精的质量比的选择对重金属离子吸附剂的吸附性能影响较大，确定所述富勒烯和羧甲基纤维素、β-环糊精的重量份的具体步骤如步骤a-d所示：
步骤a、首先进行M次不同重量份的富勒烯和羧甲基纤维素、β-环糊精三者间的复配，记录所述M次三者复配时的三者各自的重量份的值，形成份量矩阵Y，所述Y包含有M行3列，同时检测每次的所述三者复配时的重金属离子吸附剂质量稳定性、吸附率，分别进行百分制打分，形成得分矩阵X，所述矩阵X含有M行3列；
步骤b、将所述矩阵Y和矩阵X利用最小二乘法进行拟合回归，得到公式(1)所示表达式，
其中，为以矩阵Y为自变量，矩阵X中的每一列分别为因变量，利用最小二乘法进行公式(1)所示表达式的拟合回归后得到的拟合系数，X1为利用拟合方程求解的稳定性得分，X2为利用拟合方程求解的相容性得分，X3为利用拟合方程求解的能量利用率得分，Y1为所需求解的所述富勒烯的重量份，Y2为所需求解的所述羧甲基纤维素的重量份，Y3为所需求解的所述β-环糊精的重量份；
步骤c、利用公式(2)确定综合指标得分；
其中，F为综合指标得分；
步骤d、利用公式(3)确定综合指标得分最高时的富勒烯和羧甲基纤维素、β-环糊精的重量份；
令
其中，为F对Y1求偏导，为F对Y2求偏导，为F对Y3求偏导，利用公式(3)则可以得到三个含有Y1、Y2、Y3的方程组，通过求解所述方程组则能得到Y1、Y2、Y3,所述Y1、Y2、Y3则为最优状况下的富勒烯和羧甲基纤维素、β-环糊精的重量份。
进一步地，S4中，所述均苯四甲酸的醇溶液浓度为15～20g/L，所述醇选自甲醇、乙醇和异丙醇；所述冷冻干燥温度为-20℃，时间为24h。
本发明的有益效果是：
本发明的一种利用富勒烯制备重金属离子吸附剂的方法和设备，所述设备能够精确控制物料的称重、加料时间，以及反应程度，利用该设备所制得的吸附剂性能均一，所制得多种批次的吸附剂的性能基本相同，平行性好。利用该设备的方法所制得的这种重金属吸附剂对水质中重金属离子具有很好的吸附效果且再生性强。
通过智能化方法对富勒烯、羧甲基纤维素和β-环糊精的质量比的选择，可以比传统的正交试验，平行试验等试验方法更全面、更准确，大大减少试验中的人为因素，可以得出三者最优的质量比，最终得到性能优异的添加富勒烯的重金属离子吸附剂。
本发明提供的方法是将富勒烯、羧甲基纤维素、β-环糊精和环氧氯丙烷进行交联反应，再放入均苯四甲酸的醇溶液中浸泡进行官能团活化，可能使得所得重金属吸附剂表面富含羧基和羟基含氧官能团，这些官能团易与重金属离子发生螯合作用，且所得吸附剂由于加入了富勒烯使得到的吸附剂的孔隙大大增多，从而使其吸附重金属离子的性能更加优异。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中一种利用富勒烯制备重金属离子吸附剂的设备模块图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
目前，对重金属离子吸附剂的研究报道也有不少，但是这些研究中重金属离子吸附剂的吸附性能还有待提高，以及吸附剂的重复利用也还有待提高。本发明人经过大量研究和实验发现，将富勒烯与羧甲基纤维素和β-环糊精等进行简单的反应以及简单的处理所得到的重金属离子吸附剂对重金属离子的吸附性能强，而且经过简单的脱附-吸附还可以再次吸附重金属离子。本发明中，所述重金属离子包括但不限于Pb、Cd。目前为止，未发现相关报道。
而且，本发明提供一种制备重金属离子吸附剂的设备，所述设备能够精确控制物料的称重、加料时间，以及反应程度，利用该设备所制得的吸附剂性能均一，所制得多种批次的吸附剂的性能基本相同，平行性好。
另外，通过智能化方法对富勒烯、羧甲基纤维素和β-环糊精的质量比的选择，可以比传统的正交试验，平行试验等试验方法更全面、更准确，大大减少试验中的人为误差因素，可以得出三者最优的质量比，最终得到性能优异的添加富勒烯的重金属离子吸附剂。
通过具体的实施例来说明本发明的技术方案和有益效果，但本发明的内容并不仅限于实施例。
本发明实施例中，富勒烯为C60或C70，优选为C60(纯度为≥99.5％)购自南京先丰纳米材料科技有限公司。羧甲基纤维素(纯度为≥99％)购自济南恒通化工有限公司；β-环糊精(纯度为≥99％)购自湖北兴银河化工有限公司；环氧氯丙烷(纯度为≥99％)购自江苏英特化学有限公司；氢氧化钠(纯度为≥99.5％)购自杭州恒鑫达化工有限公司；均苯四甲酸(纯度为≥99％)购自成都嘉叶生物科技有限公司。
一种实施方式中，参照图1所示，一种制备重金属离子吸附剂的设备，其特征在于，所述设备包括：
控制模块，所述控制模块与称重模块电连接，所述控制模块控制称重模块对原料进行称重；
称重模块，所述称重模块接收控制模块的指令，并对原料进行称重。
本发明中，使用控制模块来控制称重模块的称重，可以使得称取的物料的质量更加精确，大大减小人工操作误差。
进一步地，所述设备还包括加料模块，所述加料模块接收控制模块的指令，并将称重模块称重后的原料加入到反应釜内，所述反应釜包括第一反应釜；
搅拌模块，所述搅拌模块用于通过搅拌杆对第一反应釜内的原料进行搅拌；
粘度获取模块，用于获取搅拌过程中反应液的粘度，所述粘度获取模块至少包括两个粘度获取子模块，每个粘度获取子模块包括一个粘度传感器，用以获取第一反应釜内不同位置的反应液在预设时间内的粘度；
所述控制模块分别与搅拌模块、粘度获取模块电连接，所述控制模块控制搅拌模块对加料模块加入至第一反应釜内的原料进行搅拌，所述控制模块还控制粘度获取模块获取预设时间内的反应液不同位置的粘度，并将获取的粘度与预设的粘度区间进行比较，当所获取的粘度处于预设的粘度区间，控制模块控制处理模块对反应得到的产物进行处理。
本发明中，利用控制模块控制加料模块、搅拌模块、粘度获取模块，使得加料更加精确，对反应的控制更加精确。通过粘度获取模块的设置，可以比较准确地控制反应的程度，获取性能更优异的重金属离子吸附剂。
进一步地，所述处理模块包括：
第一过滤器，所述第一过滤器接收所述控制模块的指令，并将第一反应釜反应完的物料进行过滤，得到第一滤饼；
烘干器，所述烘干器接收所述控制模块的指令，并将第一过滤器得到的第一滤饼进行烘干；
第二反应釜，所述第二反应釜接收所述控制模块的指令，并用以浸泡烘干器的烘干的产物；
第二过滤器，所述第二过滤器接收所述控制模块的指令，并用以过滤第二反应釜的浸泡产物，得到第二滤饼；
冷冻干燥器，所述冷干燥器接收所述控制模块的指令，并用以冷冻干燥第二滤饼；
所述设备还包括：
温度检测器，所述温度检测器用以检测第一反应釜内的反应温度，并将所检测到的温度传送至所述控制模块。
本发明中，通过用控制模块控制处理模块，大大减少人工操作的误差，对反应产物的处理更精确，得到的产物性能更优异。
进一步地，所述设备用于富勒烯制备重金属离子吸附剂，制备所述重金属离子吸附剂的原料包括：富勒烯、羧甲基纤维素、β-环糊精、环氧氯丙烷。
在一种实施方式中，一种使用上述所述的设备进行富勒烯制备重金属离子吸附剂的方法，所用原料包括富勒烯、羧甲基纤维素、β-环糊精、氢氧化钠溶液、环氧氯丙烷和均苯四甲酸。
在一种实施方式中，所述方法包括下列步骤：
S1.所述控制模块控制称重模块依次称取原料，所述控制模块控制加料模块依次将称重模块称重的原料加入到第一反应釜中；
步骤S1中，所述原料包括：去离子水，富勒烯、羧甲基纤维素、β-环糊精；所述控制模块并控制搅拌模块在加料模块加料过程中以及加料完毕进行搅拌，得混合液；
S2.所述控制模块控制称重模块再称取原料氢氧化钠溶液，并将其加入至S1中的反应液中，所述控制模块控制搅拌模块继续搅拌,得溶液；
S3.所述控制模块控制称重模块再称取原料环氧氯丙烷，并控制加料模块将其加入至步骤S2中的所得溶液中，所述控制模块控制搅拌模块继续搅拌,并控制粘度获取模块获取预设时间内的反应液的粘度，与预设的粘度区间进行比较，得反应产物。
本发明中，所述设备能够精确控制物料的称重、加料时间，以及反应程度，利用该设备所制得的吸附剂性能均一，所制得多种批次的吸附剂的性能基本相同，平行性好。而且本发明中所采取的步骤简单，先将富勒烯、羧甲基纤维素、β-环糊精依次加入到第一反应釜中混合吸附，然后再加入环氧氯丙烷进行进一步交联反应，再监控粘度变化，所得到的重金属吸附剂的性能更好。本发明中，根据正交实验以及平行实验的较优的实验结果以及粘度测试结果来设定粘度预设区间，然后在利用控制模块反应过程中可以利用。
进一步地，所述方法包括下列步骤：
S1.称取100g的去离子水，并加入至第一反应釜中；再依次称取富勒烯、羧甲基纤维素、β-环糊精依次加入到第一反应釜中，控制第一反应釜内的温度为20～45℃，搅拌1～1.5h；
S2.再称取氢氧化钠溶液，并将其加入至S1中的所述混合液中，继续搅拌20～30min，得溶液；
S3.再称取设定量的环氧氯丙烷，并将其加入至S2中的所得溶液中，继续搅拌8～10h，得反应产物；
本发明中，所述去离子水的用量为去离子水的质量与富勒烯和羧甲基纤维素二者质量之和的比为(75～150):30，优选为100:30；
所用氢氧化钠溶液的浓度为40％(wt)，所用氢氧化钠溶液的质量为氢氧化钠溶液(40％wt)的质量与富勒烯、羧甲基纤维素、β-环糊精、去离子水四者质量之和的比为(35～50):100。
所述方法还包括以下步骤：
S4.所述控制模块控制处理模块对反应产物进行处理，具体包括：
利用第一过滤器将所得到的反应产物进行过滤，得到第一滤饼，然后将得到的第一滤饼转移至烘干器中，进行烘干；然后称取设定量的均苯四甲酸的醇溶液，并将其加入至第二反应釜中，然后将烘干产物浸入至第二反应釜中，控制浸泡时间为10～15min，然后利用第二过滤器对浸泡液进行过滤，得到第二滤饼，并将得到的第二滤饼放入至冷冻干燥器中进行冷冻干燥，即得重金属吸附剂。本发明人发现，利用冷冻干燥所得到的重金属吸附剂的性能更好，具体原因仍待研究。
在一种实施方式中，实验中发现所述富勒烯、羧甲基纤维素和β-环糊精的质量比的选择对重金属离子吸附剂的吸附性能影响较大，确定所述富勒烯和羧甲基纤维素、β-环糊精的重量份的具体步骤如步骤a-d所示：
步骤a、首先进行M次不同重量份的富勒烯和羧甲基纤维素、β-环糊精三者间的复配，记录所述M次三者复配时的三者各自的重量份的值，形成份量矩阵Y，所述Y包含有M行3列，同时检测每次的所述三者复配时的重金属离子吸附剂质量稳定性、吸附率，分别进行百分制打分，形成得分矩阵X，所述矩阵X含有M行3列；
步骤b、将所述矩阵Y和矩阵X利用最小二乘法进行拟合回归，得到公式(1)所示表达式，
其中，为以矩阵Y为自变量，矩阵X中的每一列分别为因变量，利用最小二乘法进行公式(1)所示表达式的拟合回归后得到的拟合系数，X1为利用拟合方程求解的稳定性得分，X2为利用拟合方程求解的相容性得分，X3为利用拟合方程求解的能量利用率得分，Y1为所需求解的所述富勒烯的重量份，Y2为所需求解的所述羧甲基纤维素的重量份，Y3为所需求解的所述β-环糊精的重量份；
步骤c、利用公式(2)确定综合指标得分；
其中，F为综合指标得分；
步骤d、利用公式(3)确定综合指标得分最高时的富勒烯和羧甲基纤维素、β-环糊精的重量份；
令
其中，为F对Y1求偏导，为F对Y2求偏导，为F对Y3求偏导，利用公式(3)则可以得到三个含有Y1、Y2、Y3的方程组，通过求解所述方程组则能得到Y1、Y2、Y3,所述Y1、Y2、Y3则为最优状况下的富勒烯和羧甲基纤维素、β-环糊精的重量份。
本发明中，由上述智能优化步骤所得到的所述富勒烯、羧甲基纤维素和β-环糊精的质量比(即Y1、Y2、Y3的比)为1:2:0.5。这个质量比的选择的优异性从实施例1-实施例3的实验数据也可大概能够看出。
通过以上方法对富勒烯、羧甲基纤维素和β-环糊精的质量比的选择，可以比传统的正交试验，平行试验等试验方法更全面、更准确，大大减少试验中的人为因素，可以得出三者最优的质量比，最终得到性能优异的添加富勒烯的重金属离子吸附剂。
以下为利用上述设备制备重金属离子吸附剂的方法的详细实施例1-3，以及吸附实验如下：
实施例1
S1.称取100g去离子水，加入到第一反应釜中，再依次称取10g富勒烯、20g羧甲基纤维素、2gβ-环糊精依次加入到100g的去离子水中，搅拌1h，得混合液；
S2.向S1所述混合液中加入40％氢氧化钠溶液50g继续搅拌20min，得溶液；
S3.向S2所述溶液中滴入环氧氯丙烷11mL，继续搅拌8h，得反应产物；
S4.将所述反应产物进行过滤、烘干，随后泡入到浓度为15g/L均苯四甲酸乙醇溶液中10min，过滤，在-20℃下进行24h冷冻干燥，即得重金属吸附剂。
实施例2
S1.称取100g去离子水，加入到第一反应釜中，再依次称取10g富勒烯、20g羧甲基纤维素、3gβ-环糊精依次加入到100g的去离子水中，搅拌1.2h，得混合液；
S2.向S1所述混合液中加入氢氧化钠溶液(40％)55g，继续搅拌25min,得溶液；
S3.向S2所述溶液中滴入环氧氯丙烷12.2mL，继续搅拌9h,得反应产物；
S4.将所述反应产物进行过滤、烘干，随后泡入到浓度为18g/L均苯四甲酸乙醇溶液中12min，过滤，在-20℃下进行24h冷冻干燥，即得重金属吸附剂。
实施例3
S1.称取100g去离子水，加入到第一反应釜中，再依次称取10g富勒烯、20g羧甲基纤维素、5gβ-环糊精依次加入到100g的去离子水中，搅拌1.5h，得混合液；
S2.向S1所述混合液中加入氢氧化钠溶液(40％)60g，继续搅拌30min,得溶液；
S3.向S2所述溶液中滴入环氧氯丙烷13.5mL，继续搅拌10h，得反应产物；
S4.将所述反应产物进行过滤、烘干，随后泡入到浓度为20g/L均苯四甲酸乙醇溶液中15min，过滤，在-20℃下进行24h冷冻干燥，即得重金属吸附剂。
实施例4
吸附实验：
用实施例和对比例所得重金属吸附剂进行重金属离子吸附实验：
分别配制浓度梯度为10mg/L，15mg/L，20mg/L，25mg/L和30mg/L的铅离子溶液；每个浓度梯度设置3个平行吸附样，在室温下，每个浓度梯度pH分别为4,5,6下进行24h吸附，摇床震荡频率为150rpm。对比例只做pH值为4下的吸附实验。
实施例5
吸附实验：
用实施例所得重金属吸附剂进行重金属离子吸附实验：
分别配制浓度梯度为10mg/L，15mg/L，20mg/L，25mg/L和30mg/L的镉离子溶液；每个浓度梯度设置3个平行吸附样，在室温下，每个浓度梯度pH分别为4,5,6下进行24h吸附，摇床震荡频率为150rpm。
实施例6
吸附实验：
用实施例所得重金属吸附剂进行重金属离子吸附实验：
分别配制浓度梯度为10mg/L，15mg/L，20mg/L，25mg/L和30mg/L的铅离子溶液；每个浓度梯度设置3个平行吸附样，每个浓度梯度温度分别为10℃、20℃、30℃下进行24h吸附，无需调节溶液pH，摇床震荡频率为150rpm。
实施例7
吸附实验：
用实施例所得重金属吸附剂进行重金属离子吸附实验：
分别配制浓度梯度为10mg/L，15mg/L，20mg/L，25mg/L和30mg/L的镉离子溶液；每个浓度梯度设置3个平行吸附样，每个浓度梯度温度分别为10℃、20℃、30℃下进行24h吸附，无需调节溶液pH，摇床震荡频率为150rpm。
实施例8
再生实验:在室温下，用0.1mol/L的盐酸溶液进行24h脱附，随后洗涤干燥，再进行吸附，如此循环5次，所用重金属吸附剂为实施例3所得，再生吸附所用重金属离子浓度为25mg/L，无需调节pH并在常温下进行，摇床震荡频率为150rpm。
对比例
对比例1
与实施例2方法相同，其区别在于，对比例1中不用富勒烯，而是用石墨烯(购自南京先丰纳米材料科技有限公司)。
对比例2
与实施例2方法相同，其区别在于，对比例1中不用富勒烯，而是用氧化石墨烯(购自南京先丰纳米材料科技有限公司)。
所得实验结果如下表1～4，和表5所示：
表1温度对铅离子的吸附性能影响
由表1可以看出，对于不同浓度的铅离子溶液，不同温度下本发明中的重金属离子吸附剂对铅离子的吸附效率不同，对比10℃、20℃以及30℃，可知30℃下，本发明提供的重金属离子吸附剂对铅离子的吸附率较高。
表2pH对铅离子的吸附性能影响
由表2可以看出，对于不同浓度的铅离子溶液，不同pH值下本发明中的重金属离子吸附剂对铅离子的吸附效率不同，pH值为4时，本发明提供的重金属离子吸附剂对铅离子的吸附率较低，而在pH值为6时，本发明提供的重金属离子吸附剂对铅离子的吸附率较高。碱性条件下没有酸性条件下吸附率高，所以未列出碱性条件下数据。
表3温度对镉离子的吸附性能影响
表4 pH对镉离子的吸附性能影响
对比表3和表1，以及表4和表2可知，本发明提供的重金属离子吸附剂对铅离子的吸附与对镉离子的吸附受温度的影响类似；还可以看出，本发明提供的重金属离子吸附剂对铅离子的吸附率比对镉离子的吸附率稍高一些。这可能是因为铅离子的结构更容易被本发明的重金属离子吸附剂所吸附。还可以看出实施例3所得到的吸附剂的性能更好，这也可以看出智能化方法得到的富勒烯、羧甲基纤维素和β-环糊精的质量比的选择对产物的性能影响很大，这种方法更全面，还可以避免一般实验中的很多人为误差因素。
表5实施例2和对比例的重金属离子吸附剂对铅离子的吸附率比较表
| pH | 铅离子浓度 | 实施例2 | 对比例1 | 对比例2 |
| 4 | 20mg/L | 82.1％ | 71.2％ | 73.6％ |
由表5可以看出，本发明中使用富勒烯得到的重金属离子吸附剂的性能更好，与对比例中使用石墨烯、氧化石墨烯相比，吸附率提高了约10％。这可能是因为富勒烯与羧甲基纤维素、β-环糊精和环氧氯丙烷的交联物结合，形成更有利于螯合重金属离子的结构。可能是因为加入足球状空心对称分子结构的富勒烯后使得交联物的孔隙结构增大，孔隙增多，所以，更有利于吸附重金属离子。同时，可能又因为这种发达的孔隙结构，使得重金属离子吸附剂具有良好的再生使用性能。
本发明提供的重金属离子吸附剂在进行脱附-吸附5次试验后，重金属吸附剂对铅的去除率还能达到60％以上，对镉的去除率还能达到50％以上。
本发明提供的重金属离子吸附剂对铅离子和镉离子的去除效率较高。这可能是因为羧甲基纤维素、β-环糊精和环氧氯丙烷进行交联反应，足球状空心对称分子结构的富勒烯添加到交联产物的原料中，在形成交联产物时，富勒烯渗入交联分子之间，可能使得孔隙结构增大增多，从而形成有利于螯合重金属离子的结构，从而达到高效吸附重金属离子的目的。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种制备重金属离子吸附剂的设备，其特征在于，所述设备包括：
控制模块，所述控制模块与称重模块电连接，所述控制模块控制称重模块对原料进行称重；
称重模块，所述称重模块接收控制模块的指令，并对原料进行称重。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
加料模块，所述加料模块接收控制模块的指令，并将称重模块称重后的原料加入到反应釜内，所述反应釜包括第一反应釜；
搅拌模块，所述搅拌模块用于通过搅拌杆对第一反应釜内的原料进行搅拌；
粘度获取模块，用于获取搅拌过程中反应液的粘度，所述粘度获取模块至少包括两个粘度获取子模块，每个粘度获取子模块包括一个粘度传感器，用以获取第一反应釜内不同位置的反应液在预设时间内的粘度；
所述控制模块分别与搅拌模块、粘度获取模块电连接，所述控制模块控制搅拌模块对加料模块加入至第一反应釜内的原料进行搅拌，所述控制模块还控制粘度获取模块获取预设时间内的反应液不同位置的粘度，并将获取的粘度与预设的粘度区间进行比较，当所获取的粘度处于预设的粘度区间，控制模块控制处理模块对反应得到的产物进行处理。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，
所述处理模块包括：
第一过滤器，所述第一过滤器接收所述控制模块的指令，并将第一反应釜反应完的物料进行过滤，得到第一滤饼；
烘干器，所述烘干器接收所述控制模块的指令，并将第一过滤器得到的第一滤饼进行烘干；
第二反应釜，所述第二反应釜接收所述控制模块的指令，并用以浸泡烘干器的烘干的产物；
第二过滤器，所述第二过滤器接收所述控制模块的指令，并用以过滤第二反应釜的浸泡产物，得到第二滤饼；
冷冻干燥器，所述冷干燥器接收所述控制模块的指令，并用以冷冻干燥第二滤饼；
所述设备还包括：
温度检测器，所述温度检测器用以检测第一反应釜内的反应温度，并将所检测到的温度传送至所述控制模块。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，
所述设备用于富勒烯制备重金属离子吸附剂，制备所述重金属离子吸附剂的原料包括：富勒烯、羧甲基纤维素、β-环糊精、环氧氯丙烷。
5.一种使用权利要求1-4之一所述的设备进行富勒烯制备重金属离子吸附剂的方法，其特征在于，所用原料包括富勒烯、羧甲基纤维素、β-环糊精、氢氧化钠溶液、环氧氯丙烷和均苯四甲酸。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，包括下列步骤：
S1.所述控制模块控制称重模块依次称取原料，所述控制模块控制加料模块依次将称重模块称重的原料加入到第一反应釜中；
S1中，所述原料包括：去离子水，富勒烯、羧甲基纤维素、β-环糊精；所述控制模块并控制搅拌模块在加料模块加料过程中以及加料完毕进行搅拌，得混合液；
S2.所述控制模块控制称重模块再称取原料氢氧化钠溶液，并将其加入至S1中的反应液中，所述控制模块控制搅拌模块继续搅拌,得溶液；
S3.所述控制模块控制称重模块再称取原料环氧氯丙烷，并控制加料模块将其加入至S2中的所得溶液中，所述控制模块控制搅拌模块继续搅拌,并控制粘度获取模块获取预设时间内的反应液的粘度，与预设的粘度区间进行比较，得反应产物。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，包括下列步骤：
S1.称取100g的去离子水，并加入至第一反应釜中；再依次称取富勒烯、羧甲基纤维素、β-环糊精依次加入到第一反应釜中，控制第一反应釜内的温度为20～45℃，搅拌1～1.5h；
S2.再称取氢氧化钠溶液，并将其加入至S1中的所述混合液中，继续搅拌20～30min,得溶液；
S3.再称取设定量的环氧氯丙烷，并将其加入至S2中的所得溶液中，继续搅拌8～10h，得反应产物；
所述方法还包括以下步骤：
S4.所述控制模块控制处理模块对反应产物进行处理，具体包括：
利用第一过滤器将所得到的反应产物进行过滤，得到第一滤饼，然后将得到的第一滤饼转移至烘干器中，进行烘干；然后称取设定量的均苯四甲酸的醇溶液，并将其加入至第二反应釜中，然后将烘干产物浸入至第二反应釜中，控制浸泡时间为10～15min，然后利用第二过滤器对浸泡液进行过滤，得到第二滤饼，并将得到的第二滤饼放入至冷冻干燥器中进行冷冻干燥，即得重金属吸附剂。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述环氧氯丙烷的加入量为环氧氯丙烷的体积与富勒烯、羧甲基纤维素、β-环糊精和去离子水四者质量之和的比为(8～10mL)：100g。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，
实验中发现所述富勒烯、羧甲基纤维素和β-环糊精的质量比的选择对重金属离子吸附剂的吸附性能影响较大，确定所述富勒烯和羧甲基纤维素、β-环糊精的重量份的具体步骤如步骤a-d所示：
步骤a、首先进行M次不同重量份的富勒烯和羧甲基纤维素、β-环糊精三者间的复配，记录所述M次三者复配时的三者各自的重量份的值，形成份量矩阵Y，所述Y包含有M行3列，同时检测每次的所述三者复配时的重金属离子吸附剂质量稳定性、吸附率，分别进行百分制打分，形成得分矩阵X，所述矩阵X含有M行3列；
步骤b、将所述矩阵Y和矩阵X利用最小二乘法进行拟合回归，得到公式(1)所示表达式，
其中，为以矩阵Y为自变量，矩阵X中的每一列分别为因变量，利用最小二乘法进行公式(1)所示表达式的拟合回归后得到的拟合系数，X1为利用拟合方程求解的稳定性得分，X2为利用拟合方程求解的相容性得分，X3为利用拟合方程求解的能量利用率得分，Y1为所需求解的所述富勒烯的重量份，Y2为所需求解的所述羧甲基纤维素的重量份，Y3为所需求解的所述β-环糊精的重量份；
步骤c、利用公式(2)确定综合指标得分；
其中，F为综合指标得分；
步骤d、利用公式(3)确定综合指标得分最高时的富勒烯和羧甲基纤维素、β-环糊精的重量份；
令
其中，为F对Y1求偏导，为F对Y2求偏导，为F对Y3求偏导，利用公式(3)则可以得到三个含有Y1、Y2、Y3的方程组，通过求解所述方程组则能得到Y1、Y2、Y3，所述Y1、Y2、Y3则为最优状况下的富勒烯和羧甲基纤维素、β-环糊精的重量份。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，S4中，所述均苯四甲酸的醇溶液浓度为15～20g/L，所述醇选自甲醇、乙醇和异丙醇；所述冷冻干燥温度为-20℃，时间为24h。
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