CN110404516A - 一种金属离子吸附水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属离子吸附水凝胶及其制备方法和应用，该水凝胶为由丙烯酸、丙烯酰胺和苯乙烯磺酸钠三种单体无规聚合构成的三元共聚水凝胶，丙烯酸、丙烯酰胺和苯乙烯磺酸钠三种单体的摩尔比为(1～2):(1～2):1。以过硫酸钾为引发剂、N，N‑亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，丙烯酸中和度为80％条件下进行聚合，制得金属离子吸附水凝胶。本发明的聚丙烯酸类吸附剂对废水中铅、镍、镉、钴、铜、镁、锌等重金属的吸附量高，循环性能好，尤其是对铅离子选择性好，最大吸附量达到467mg/g，去除率高达93％。

Description

一种金属离子吸附水凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种金属离子吸附水凝胶及其制备方法及应用，属于聚合物水凝胶吸附剂领域。
背景技术
随着人类经济活动的快速发展和科技的不断进步，水环境污染问题愈发严重，污染水体中含有大量的重金属离子，它在水中具有很强的反应活性，对人体健康和生态系统都具有严重的威胁。重金属污染水体的处理方法包括化学沉淀法、生物修复法和吸附法等。其中，吸附法因工作效率高、对环境友好，受到人们的广泛关注。聚丙烯酸聚合水凝胶中所含的羧基与其他聚合物分子相互作用，具有PH敏感性，广泛应用于吸附材料中。
聚丙烯酸系水凝胶对重金属的吸附在不同酸碱性的水溶液中简单和高效，例如Zhou等人共聚丙烯酸和甲基丙烯酸甲酯，通过自由基聚合合成阴离子水凝胶，铅和镉离子的吸附量分别达到216.1mg/g和153.8mg/g。Wang等聚合海藻酸钠和丙烯酸，接枝成大凝胶，其对镍、铜、锌和镉离子的吸附分别达到157.55、200.15、189.15和320.32mg/g。Zhu等接枝共聚丙烯酸和壳聚糖，经热诱导高相乳液聚合合成了一种超多孔水凝胶，多孔结构使水凝胶具有快速吸附速率，初始浓度为500mg/g时，铜离子和铅离子的吸附容量在20min内分别达到302.01mg/g和611.94mg/g。聚丙烯酸水凝胶在重金属吸附方面具有重要的作用，人们越来越重视对其改性以提高聚丙烯酸水凝胶的吸附能力和选择性。
发明内容
针对现有技术中存在的聚合物水凝胶吸附剂对污水中重金属吸附种类少、难以适应当前重金属组成复杂的污水处理的问题，本发明的目的是提供一种金属离子吸附水凝胶及其制备方法和应用，以适用于多种金属吸附，且吸附效率高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种金属离子吸附水凝胶，其为由丙烯酸、丙烯酰胺和苯乙烯磺酸钠三种单体无规聚合构成的三元共聚水凝胶，丙烯酸、丙烯酰胺和苯乙烯磺酸钠三种单体的摩尔比为(1～2):(1～2):1。
一种金属离子吸附水凝胶的制备方法，是以丙烯酸、丙烯酰胺和苯乙烯磺酸钠为原料，以过硫酸钾为引发剂、N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，丙烯酸中和度为80％条件下进行聚合，得到所述金属离子吸附水凝胶。
优选的，所述过硫酸钾的用量为三种单体总质量的0.6～0.8％，N，N-亚甲基双丙烯酰胺的用量为三种单体总质量的1～2％。
本发明的金属离子吸附水凝胶的制备方法的具体步骤如下：
步骤1，将质量分数为40％的氢氧化钠溶液加入丙烯酸中，搅拌10-20min，然后冷却至室温；
步骤2，然后依次加入丙烯酰胺、苯乙烯磺酸钠，搅拌10-20min；
步骤3，加入过硫酸钾，搅拌5-10min后，加入N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，倒入容器，升温至50℃，连续反应8h；反应得到的产物干燥粉碎得到粉末。
优选的，所述步骤3中，反应和干燥均在托盘中进行，反应时反应体系溶液高度保持5-10cm。
优选的，所述步骤3中，粉碎为200目的粉末。
本发明的金属离子吸附水凝胶能够作为重金属吸附剂用于吸附污水中的重金属离子。
金属离子吸附水凝胶对重金属离子吸附能够很好拟合第二动力学方程。
优选的，所述重金属离子为铅离子、镉离子、镍离子、钴离子、铜离子、镁离子的一种或多种。
优选的，所述金属离子吸附水凝胶的最佳吸附条件为：0.1g金属离子吸附水凝胶对应重金属离子浓度为1000mg/L的重金属离子溶液，吸附时间为2小时。
优选的，所述金属离子吸附水凝胶对于不同的重金属离子，具有不同的最佳吸附pH值，具体如下：
吸附铅离子时，最佳pH值为4.40-6.60，最大吸附量为459.7mg/g；
吸附镁离子时，最佳pH值为2.5-3.5，最大吸附量为264.3mg/g。
吸附镉离子时，最佳pH值为4.5-5.5，最大吸附量为326.12mg/g。
吸附铜离子时，最佳pH值为4.5，最大吸附量为158.0mg/g；
吸附镍离子时，最佳pH值为3.5-5.5，最大吸附量为157.6mg/g；
吸附钴离子时，最佳pH值为4.5-6，最大吸附量为224.8mg/g。
优选的，所述金属离子吸附水凝胶能够回收重复使用三次。
有益效果：相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)所制备的重金属生物吸附剂具有广泛的适用性，对污水中的铅、镍、镉、铜、钴、镁等重金属均有显著的吸附效果，吸附量达158mg/g以上，尤其是对铅离子选择性好，最大吸附量达到467mg/g，去除率高达93％；
(2)对本发明所制备的聚合物水凝胶吸附剂的吸附能力进行测试得知，聚合物水凝胶吸附剂可吸附铅离子466.5mg、镉离子337.3mg、钴离子224.8mg、镍离子171.1mg、铜离子164.8mg、镁离子264.3mg，由以上数据可知，本发明所制备的聚合物水凝胶吸附剂对重金属具有较高的吸附量；
(3)本发明重金属生物吸附剂制备方法简单，条件温和，易操作，可进行工业推广与生产。
附图说明
图1为实施例1中金属离子吸附水凝胶的红外光谱；
图2为实施例1中金属离子吸附水凝胶的红外光谱扫描电子显微镜；
图3为实施例1中金属离子吸附水凝胶的热重分析；
图4为实施例1中金属离子吸附水凝胶对重金属离子的竞争吸附示意图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步描述，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
实施例1
本实施例包括以下步骤
(1)金属离子吸附水凝胶制备
将11.6mL质量分数为40％的氢氧化钠溶液加入10mL丙烯酸中，搅拌10min，然后冷却至室温。然后依次加入5.1786g丙烯酰胺、15.0222g苯乙烯磺酸钠，搅拌10min。加入0.6140g的过硫酸钾，搅拌5min后，加入0.1842g的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，倒入托盘，保持液面厚度5cm，升温至50℃，连续反应8h。干燥粉碎得到200目左右的粉末，得到金属离子吸附水凝胶。
(2)不同铅离子浓度对铅离子吸附的影响
本次测试在其他条件(吸附时间120min，PH5.5，温度25℃)相同的情况下，以铅离子浓度作为唯一变量，测试铅离子浓度对水凝胶吸附铅离子性能的影响。取8个250mL锥形瓶，分别加入0.1g步骤(1)制备的金属离子吸附水凝胶，然后再分别加入不同浓度的铅离子溶液(5mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L、400mg/L、800mg/L、1000mg/L、2000mg/L)。在室温下以200r/min搅拌120min。静置沉淀后取1mL上清液吸收10倍。以原子吸收分光光度计测试其铅离子浓度。并计算水凝胶的吸附量。
由表1可知，当铅离子浓度为5mg/L到200mg/L时，水凝胶对铅离子的吸附量比较低，且随着铅离子浓度的不断增加，水凝胶对铅离子的吸附量呈缓慢增加的趋势，当铅离子浓度为400mg/L到1000mg/L时，此时水凝胶对铅离子的吸附效果明显增大，且每个浓度之间的吸附量差距也比之前的浓度大很多。当铅离子浓度为1000mg/L到2000mg/L时，水凝胶对铅离子的吸附量任然存在增大的趋势，但是增加量相对于之前明显减弱。铅离子溶液的浓度越大，水凝胶吸附铅离子的量就越大，但到了一定的浓度，吸附量增加的趋势会减小，因为此时水凝胶吸附铅离子的量已经接近饱和。铅离子浓度在50mg/L到1000mg/L时，水凝胶对铅离子的吸附率都在90％以上，当铅离子浓度等于2000mg/L时，吸附率瞬间变低，这说明了一定量的水凝胶吸附已经达到了饱和。无法再吸附更多的铅离子。
表1铅离子浓度对水凝胶吸附铅离子效果的影响
(3)水凝胶不同吸附时间的分析
取一个250ml锥形瓶，称取0.1g，200目左右的水凝胶粉末倒入锥形瓶中，量取50mL，1g/L的铅离子溶液倒入锥形瓶，此时时间记为零。加入磁子在200r/min进行搅拌。在室温下，分别在5min、10min、40min、80min、120min和360min取其上清液，采用原子吸收分光光度计测试铅离子浓度，计算吸附量。
由表2可知，在其他条件相的情况下，随着吸附时间的增加，水凝胶对铅离子的吸附量呈现由快速增加到缓慢增加的一个过程，当吸附时间达到120min时，水凝胶吸附铅离子的量趋于稳定。在其他条件相的情况下，随着吸附时间的增加，水凝胶对铅离子的吸附率也呈现由快速增加到缓慢增加的一个过程，当吸附时间达到120min时，水凝胶吸附铅离子的吸附率趋于稳定，吸附量达463mg/g。
表2水凝胶吸附时间对铅离子吸附效果的影响
(4)水凝胶对铅离子的吸附动力学研究
根据不同吸附时间水凝胶吸附铅离子的测试结果，拟一、二级动力学方程和颗粒扩散模型。可以得到水凝胶对铅离子溶液吸附作用的动力学参数，结果如表3所示。通过动力学相关系数得出，铅离子溶液的吸附过程都很好地拟合了拟二级动力学模型(R2>0.995)，这说明拟二级动力学模型适于描述磁性水凝胶铅离子溶液的吸附过程，吸附速率被化学吸附所控制。但是拟一级动力学模型与拟二级动力学模型都不能模拟扩散现象，这时便使用到了颗粒扩散模型。吸附过程并没有什么线性相关性，R2在小于0.89，这说明水凝胶对铅离子溶液的吸附过程中不存在颗粒扩散。
表3水凝胶对铅离子吸附作用的动力学参数
(5)PH对水凝胶吸附金属离子的影响
由表4可知，当PH等于1.5时，水凝胶对铅离子的吸附量非常小，此时水凝胶吸附铅离子的性能非常差，当PH为2.48时，相对于PH等于1.5时，水凝胶对铅离子的吸附量急剧增加。差距非常明显。当PH等于3.5到6.55时，水凝胶对铅离子的吸附量增加变缓慢，甚至PH等于6.55和5.55时，水凝胶对铅离子的吸附量非常接近。出现这种原因的可能性是水凝胶中存在-NH2，当PH值特别低时，水凝胶中的-NH2质子化会产生大量的-NH3+,从而对溶液中的铅离子产生排斥作用，所以吸附效果会降低很多。当PH增大时，H+浓度会不断减小，排斥作用也会减小，所以水凝胶对铅离子的吸附量也会随之提高。但是如果PH为碱性时，溶液中的OH-就会和铅离子产生沉淀，测试时就不知道是吸附效果还是沉淀效果，所以PH为碱性，不在吸附考虑范围之内。如果我们想把该种材料运用到实际当中，在使用之前我们可以先调节一下污水的酸碱度，使之在最优的吸附PH范围之内。
表4 PH对水凝胶吸附铅离子效果的影响
(6)水凝胶可重复利用性分析
由表5可知，随着吸附和解吸次数的增加，水凝胶对铅离子的吸附量明显减少，第一次和第二次吸附之间就已经相差了一半多的吸附量，直到第四次吸附和解吸过后，水凝胶对铅离子的吸附量已经变得很少，从三组平行实验来看，只有第三组实验的第二次和第三次吸附出现了一个微弱的增长值之外，其它两组吸附和解吸实验水凝胶对铅离子的吸附量都是随着吸附和解吸次数的增加而减少的。通过解吸量也可以看出随着吸附次数的增加，解吸量也是随之减少的。从而可以得出随着吸附和解吸次数得增加，水凝胶对铅离子仍有一定的吸附和解吸能力，这说明了该水凝胶具有一定的可重复利用能力。
表5三组组解吸实验水凝胶吸附铅离子的量
(7)竞争吸附分析
在PH为5.5，吸附时间为2h，各个离子溶液浓度为1000mg/L的条件下进行实验。根据表6水凝胶对重金属离子的竞争吸附量，得到水凝胶对重金属离子竞争吸附柱形图。当两种或者五种不同的离子溶液存在于同一吸附体系内时，P(AA/AM/SSS)水凝胶对强吸附性离子的选择性大。其中铅离子在其单独体系时的吸附量为466.53mg/g，在Pb2+/Cd2+/Co2+/Cu2+/Ni2+、Pb2+/Cd2+、Pb2+/Ni2+、Pb2+/Co2+、Pb2+/Cu2+五个体系中铅离子的吸附量有所下降。这是因为当金属离子在单一体系中存在时，水凝胶上的吸附活性点位可以与其充分结合，提高吸附量；当几种离子共同存在一个体系中，由于每种重金属离子初始浓度很大，水凝胶上的吸附点位数量有限，导致活性吸附点位容易重叠，被占据的活性吸附点位无法与其它重金属离子结合，使每种重金属离子的吸附量都有不同程度的下降。当Pb2+在这五个体系中时，铅离子的吸附量与Kd最大，说明铅离子较其他离子更具竞争性且水凝胶对Pb2+的亲和力大于其他四种离子。
表6水凝胶对重金属离子的竞争吸附量
实施例2
本实施例包括以下步骤
(1)金属离子吸附水凝胶制备
将11.6mL质量分数为40％的氢氧化钠溶液加入15mL丙烯酸中，搅拌15min，然后冷却至室温。然后依次加入5.2g丙烯酰胺、15.0g苯乙烯磺酸钠，搅拌10min。加入0.614g的过硫酸钾，搅拌10min后，加入0.184g的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，倒入托盘，保持液面厚度8cm，升温至50℃，连续反应8h。干燥粉碎得到200目左右的粉末，得到金属离子吸附水凝胶。
(2)不同铜和镍离子浓度分别对离子吸附的影响
在溶液初始浓度不同的条件下(5mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L、400mg/L、800mg/L、1000mg/L、2000mg/L、2500mg/L)，水凝胶对镍和铜离子的吸附效果如表7所示，吸附量从初始浓度5mg/L到2500mg/L整体呈现上升趋势，在1000mg/L水凝胶对镍离子吸附量为156.5mg/g。当浓度在5mg/L时，该吸附率最大，吸附率随着溶液初始浓度的增大逐渐减小，在1000mg/L吸附率为32.02％。水凝胶对铜离子的吸附率随着溶液初始浓度的增大逐渐减小，在1000mg/L吸附率为33.39％。
表7水凝胶吸附不同初始浓度镍和铜离子溶液数据表
(3)水凝胶不同吸附时间的分析
在不同的时间条件下，水凝胶对镍和铜离子的吸附量如表8所示，当时间为10min时，水凝胶对Ni2+的吸附量较大，在时间150min时，吸附量基本平稳，达到饱和状态，此时吸附量为161.5mg/g。当时间为20min时，水凝胶对Cu2+的吸附量较大，在时间120min时，吸附量基本平稳，达到饱和状态，此时吸附量为163.6mg/g。
表8水凝胶在不同时间吸附镍和铜离子溶液数据表
(4)水凝胶对镍和铜离子的吸附动力学研究
铜离子的拟一级吸附动力学、拟二级吸附动力学和颗粒扩散，三次模型拟合经过比较，拟二级吸附动力学模型拟合结果和实测的饱和吸附量Qe更接近，且相关性数据较拟一级吸附动力学模型和颗粒扩散模型更优(R2＞0.998)，因此水凝胶对铜离子的吸附动力学过程可用拟二级吸附动力学模型来描述。
镍离子的拟一级吸附动力学、拟二级吸附动力学颗粒扩散，比较三次拟合模型，拟二级吸附动力学模型拟合结果和实测的饱和吸附量Qe更接近，且相关性数据较拟一级吸附动力学模型和颗粒扩散吸附动力学模型更优(R2＞0.995)，因此水凝胶对镍离子的吸附动力学过程可用拟二级吸附动力学模型来描述。
(5)PH对水凝胶吸附金属离子的影响
表9描述了溶液初始pH对水凝胶吸附镍离子的影响。实验过程中观察到pH＞7时，金属离子出现沉淀，因此对于Ni2+的pH研究范围是(pH＝1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5)。在pH较低时水凝胶的吸附量较小，在pH＝1.5时，吸附量为44.63mg/g，随着pH的增大，吸附量也随之增大，在pH＝3.5-5.5时达到最大的吸附量，在pH＝6.5时吸附量下降。在pH＝1.5时，吸附率为8.07％，随着pH的增大，吸附率也随之增大。出现这种原因的可能性为，水凝胶中存在-NH2，当pH值特别低时，水凝胶中的-NH2质子化会产生大量的-NH3 +,从而对溶液中的镍离子产生排斥作用，所以吸附效果会降低很多。当pH增大时，H+浓度会不断减小，排斥作用也会减小，所以水凝胶对镍离子的吸附量也会随之提高，在pH＝5.5-6.5时，金属离子在此pH条件下发生水解，与溶液中的OH-生成了非沉淀型络合物，无法被水凝胶吸附。溶液的pH对水凝胶吸附镍离子有较大影响，在实际吸附含镍离子废水时应当调节pH在3.5到5.5范围内。
表9描述了溶液初始pH对水凝胶吸附铜离子的影响。实验过程中观察到pH＞5时，金属离子出现沉淀，因此对于Cu2+的pH研究范围是(pH＝2、2.5、3、3.5、4、4.5)。在pH较低时水凝胶的吸附量较小，在pH＝2.12时，吸附量为0.32mg/g，随着pH的增大，吸附量也随之增大，在pH＝4.55时达到135mg/g的吸附量。吸附率随着pH的增大而增加，在pH＝4.57时吸附率为35.89％。出现这种原因的可能性为，水凝胶中存在-NH2，当pH值特别低时，水凝胶中的-NH2质子化会产生大量的-NH3 +,从而对溶液中的铜离子产生排斥作用，所以吸附效果会降低很多。当pH增大时，H+浓度会不断减小，排斥作用也会减小，所以水凝胶对铜离子的吸附量也会随之提高。溶液的初始pH对于水凝胶吸附铜离子有较大影响，在实际处理含铜离子废水时应该调节pH在4.5附近。
表9水凝胶分别吸附不同初始PH镍和铜离子溶液数据表
(6)水凝胶可重复利用性分析
水凝胶的再生重复利用性能关系到了实际处理废水的成本，是重要的评价指标。本文采用pH＝1的盐酸溶液进行了2小时的解吸附。表10表示了水凝胶在溶液初始pH＝4.5，初始浓度1000mg/L，吸附时间为120min的吸附量，从第一次吸附到第五次吸附，水凝胶对铜离子的吸附量整体呈现下降趋势。首次吸附量为124.8mg/g，第五次吸附量为80.3mg/g，吸附量有所下降，但仍有一定的重复利用价值。从第一次解吸到第五次解吸，水凝胶的解吸附量整体呈现下降趋势。第一次解吸附量为114.4mg/g，第五次解吸附量为48.0mg/g。解析率在第一次是最高的，达到91.65％，之后逐渐降低，第五次解析率为59.74％。
水凝胶对镍离子的吸附量整体呈现下降趋势，第一次吸附量为153.2755mg/g，第五次吸附量为67.0802mg/g，该水凝胶在吸附镍离子时有一定的重复利用能力。第一次解吸附量为114.4mg/g，第五次解吸附量为47.9698mg/g。解析率在第一次是最高的，达到93.02％，之后逐渐降低，第五次解析率为64.03％。表现出该水凝胶对吸附镍离子具有一定的重复利用性。
表10水凝胶分别对镍和铜离子溶液再生吸附数据表
实施例3
本实施例包括以下步骤
(1)金属离子吸附水凝胶制备
将2.9mL质量分数为40％的氢氧化钠溶液加入2.5mL丙烯酸中，搅拌10min，然后冷却至室温。然后依次加入1.7g丙烯酰胺、7.5g苯乙烯磺酸钠，搅拌10min。加入0.23g的过硫酸钾，搅拌5min后，加入0.08g的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，倒入托盘，保持液面厚度5cm，升温至50℃，连续反应8h。干燥粉碎得到200目左右的粉末，得到金属离子吸附水凝胶。
(2)不同铅离子浓度对铅离子吸附的影响。
由表10可知，当Cd2+溶液浓度在5-200mg/L时水凝胶的吸附量都很小，一直到800mg/L吸附量都呈现出急速上升的情况，当溶液浓度到达1000mg/L后水凝胶的吸附量趋于平稳并且到达了饱和值。当Mg2+溶液浓度小于1000mg/L之前，吸附量都呈现出增大的趋势，当溶液浓度到达1000mg/L之后，上升趋势减缓。因此从去除率和吸附量我们可以得出结论，当Cd2+、Mg2+溶液浓度在1000mg/L左右时，为此水凝胶在两小时内吸附的最大浓度。
表11镁和镉离子溶液浓度对水凝胶吸附量的影响
(3)水凝胶不同吸附时间的分析
从表12可知，在实验刚开始阶段到60分钟，吸附量呈现出急速上升趋势，在120分钟后吸附量趋于平稳，这时水凝胶对镁和镉离子的吸附已经达到了饱和状态，这是因为在吸附刚开始阶段水凝胶内的吸附点位充足，因此初始阶段吸附量上升速率很快，当吸附时间到达120分钟后吸附点位基本上被填满，因此吸附量出现平衡甚至减小的情况。且在吸附时间到达120分钟之后去除率达到最大且不再变化，由此可以得出2小时左右的吸附时间为最佳吸附时间。
表12水凝胶在不同时间吸附镍和铜离子溶液数据表
(4)水凝胶对铅离子的吸附动力学研究
水凝胶对镁和镉离子溶液吸附作用的动力学参数，结果如表13所示，吸附过程都很好的拟合了拟二级动力学模型(R2>0.995)，这说明拟二级动力学方程很好的描述了水凝胶对镁和镉离子溶液的吸附过程。但由于拟一级动力学模型与拟二级动力学模型都不能描述扩散现象，这才使用了颗粒扩散模型，吸附开始的阶段有一定的线性相关性，但对于整个吸附过程线性相关性不高，这说明在吸附过程中存在颗粒扩散现象。
表13水凝胶分别对镁和镉离子吸附作用的动力学参数
(5)PH对水凝胶吸附金属离子的影响
由表11可知当Mg2+溶液pH值为酸性时，水凝胶对Mg2+均有一定量的吸附，且分布均匀，在PH在2.5-3.5时，水凝胶的吸附量到达了最大值，且从去除率图上也可以看出当PH在2.5-3.5时去除率最大，因此可以得出Mg2+溶液PH在2.5-3.5时是此水凝胶吸附作用的最佳pH值。当Cd2+溶液PH极小时，水凝胶基本上不吸附，出现这种现象的原因是，水凝胶中的-NH2与金属离子发生了螯合作用，而由于溶液PH过低，又产生了解吸附作用，导致水凝胶不吸附。当pH在1到6之间，吸附量呈现上升趋势，且PH在4-6时，吸附量达到平衡，去除率随PH的增加而增加且PH在3.5-4.5时达到平衡，因此Cd2+溶液pH在3.5-4.5时是此水凝胶吸附作用的最佳pH值。
表11 pH值对水凝胶吸附量的影响
(6)水凝胶可重复利用性分析
由表12和13可以看出Mg2+、Cd2+在其最佳吸附条件下(Mg2+：溶液pH值在2.5-3.5、吸附时间2小时、Mg2+溶液浓度1000mg/L，Cd2+：溶液pH值在5-6、吸附时间2小时、Cd2+溶液浓度2000mg/L)最大吸附量与之前实验的吸附量相差无几，实验数据可用。可以更明显的看出，每经过一次吸附解析附，下一组的吸附量、解析量就会减少，直至第五组其吸附量、解析量下降仍不是很大，可见水凝胶重复使用性能良好。解析率呈急速下降的趋势，水凝胶吸附Mg2+、Cd2+一样，解析率可观，由此可见吸水凝胶重复使用性能良好。
表12水凝胶对镁离子吸附解析附数据表
表13水凝胶对镉离子吸附解析附数据表
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种金属离子吸附水凝胶，其特征在于：其为由丙烯酸、丙烯酰胺和苯乙烯磺酸钠三种单体无规聚合构成的三元共聚水凝胶，丙烯酸、丙烯酰胺和苯乙烯磺酸钠三种单体的摩尔比为(1～2):(1～2):1。
2.一种权利要求1所述的金属离子吸附水凝胶的制备方法，其特征在于：是以丙烯酸、丙烯酰胺和苯乙烯磺酸钠为原料，以过硫酸钾为引发剂、N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，丙烯酸中和度为80％条件下进行聚合，得到所述金属离子吸附水凝胶。
3.根据权利要求2所述的金属离子吸附水凝胶的制备方法，其特征在于：所述过硫酸钾的用量为三种单体总质量的0.6～0.8％，N，N-亚甲基双丙烯酰胺的用量为三种单体总质量的1～2％。
4.根据权利要求2或3所述的金属离子吸附水凝胶的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1，将质量分数为40％的氢氧化钠溶液加入丙烯酸中，搅拌10-20min，然后冷却至室温；
步骤2，然后依次加入丙烯酰胺、苯乙烯磺酸钠，搅拌10-20min；
步骤3，加入过硫酸钾，搅拌5-10min后，加入N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，倒入容器，升温至50℃，连续反应8h；反应得到的产物干燥粉碎得到粉末。
5.根据权利要求4所述的金属离子吸附水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，反应和干燥均在托盘中进行，反应时反应体系溶液高度保持5-10cm；粉碎为200目的粉末。
6.权利要求1所述的金属离子吸附水凝胶作为重金属吸附剂在吸附污水中的重金属离子的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述重金属离子为铅离子、镉离子、镍离子、钴离子、铜离子、镁离子的一种或多种。
8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述金属离子吸附水凝胶的吸附条件为：0.1g金属离子吸附水凝胶对应重金属离子浓度为1000mg/L的重金属离子溶液，吸附时间为2小时。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：吸附铅离子时，将污水的pH调节为4.40-6.60；吸附镁离子时，将污水的pH调节为2.5-3.5；吸附镉离子时，将污水的pH调节为4.5-5.5；吸附铜离子时，将污水的pH调节为4.5；吸附镍离子时，将污水的pH调节为3.5-5.5；吸附钴离子时，将污水的pH调节为4.5-6。
10.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述金属离子吸附水凝胶能够回收重复使用三次。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112023901A (zh) * 2020-08-14 2020-12-04 西安工程大学 一种粒状水凝胶型重金属吸附剂的制备方法
CN113413886A (zh) * 2021-06-29 2021-09-21 徐州工程学院 一种高分子吸附材料及其制备方法与应用
CN116870842A (zh) * 2023-09-08 2023-10-13 中创宏远（北京）环保科技有限公司 一种新型餐厨设备填料的制备工艺

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4677174A (en) * 1986-04-21 1987-06-30 American Colloid Company Water absorbent styrene-acrylic acid copolymers
CN101880351A (zh) * 2010-07-09 2010-11-10 成都理工大学 一种水溶液聚合法微晶白云母复合磺酸型高吸水树脂的制备方法
WO2013052326A1 (en) * 2011-10-04 2013-04-11 Kemira Oy J Methods for treating metals and metalloids
US20140061130A1 (en) * 2006-09-07 2014-03-06 Nalco Company Method of heavy metal removal from water streams
CN104693362A (zh) * 2015-02-03 2015-06-10 凯姆勒吸水材料（天津）有限公司 一种纤维素接枝共聚高吸水性树脂的制备方法
US20160060147A1 (en) * 2013-04-24 2016-03-03 Kemira Oyj Scale-inhibiting polymers and methods for preventing scale formation
CN106554454A (zh) * 2016-11-29 2017-04-05 福州大学 一种聚丙烯酸水凝胶吸附材料的制备方法及应用
CN107501483A (zh) * 2017-07-19 2017-12-22 成都理工大学 一种秸秆/锂皂石复合重金属离子吸附剂的制备方法
CN107570119A (zh) * 2017-07-19 2018-01-12 成都理工大学 一种具有半互穿网络结构的秸秆重金属离子吸附剂制备方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4677174A (en) * 1986-04-21 1987-06-30 American Colloid Company Water absorbent styrene-acrylic acid copolymers
US20140061130A1 (en) * 2006-09-07 2014-03-06 Nalco Company Method of heavy metal removal from water streams
CN101880351A (zh) * 2010-07-09 2010-11-10 成都理工大学 一种水溶液聚合法微晶白云母复合磺酸型高吸水树脂的制备方法
WO2013052326A1 (en) * 2011-10-04 2013-04-11 Kemira Oy J Methods for treating metals and metalloids
US20160060147A1 (en) * 2013-04-24 2016-03-03 Kemira Oyj Scale-inhibiting polymers and methods for preventing scale formation
CN104693362A (zh) * 2015-02-03 2015-06-10 凯姆勒吸水材料（天津）有限公司 一种纤维素接枝共聚高吸水性树脂的制备方法
CN106554454A (zh) * 2016-11-29 2017-04-05 福州大学 一种聚丙烯酸水凝胶吸附材料的制备方法及应用
CN107501483A (zh) * 2017-07-19 2017-12-22 成都理工大学 一种秸秆/锂皂石复合重金属离子吸附剂的制备方法
CN107570119A (zh) * 2017-07-19 2018-01-12 成都理工大学 一种具有半互穿网络结构的秸秆重金属离子吸附剂制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
余巧玲 等: "高吸水性树脂丙烯酰胺-丙烯酸-对苯乙烯磺酸钠三元共聚物的合成", 《石化技术与应用》 *
张增志: "《中国战略性新兴产业——新材料 环境工程材料》", 30 November 2018, 中国铁道出版社 *
曾永刚 等: "《水污染控制工程》", 30 April 2018, 电子科技大学出版社 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112023901A (zh) * 2020-08-14 2020-12-04 西安工程大学 一种粒状水凝胶型重金属吸附剂的制备方法
CN113413886A (zh) * 2021-06-29 2021-09-21 徐州工程学院 一种高分子吸附材料及其制备方法与应用
CN116870842A (zh) * 2023-09-08 2023-10-13 中创宏远（北京）环保科技有限公司 一种新型餐厨设备填料的制备工艺
CN116870842B (zh) * 2023-09-08 2024-02-02 中创宏远（北京）环保科技有限公司 一种餐厨设备填料的制备工艺

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