CN110681371A - 一种用于去除重金属离子天然吸附剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于去除重金属离子天然吸附剂的制备方法，涉及重金属离子吸附剂技术领域，包括以下制备步骤：1）制备膨润土和羟乙基纤维素悬浮液；2）将膨润土悬浮液、羟乙基纤维素悬浮液和甲醚化六羟甲基三聚氰胺树脂混合制备得到纤维素复合气凝胶微粒；3）选取瓜子壳、花生壳研磨过筛备用；4）将膨润土、甲壳素、海藻酸钠、研磨过筛后的瓜子壳、花生壳与水混合并加入聚环氧氯丙烷二甲胺水溶液、铁粉和纤维素复合气凝胶微粒得到预吸附剂；5）将预吸附剂在350‑550℃下煅烧4‑8h，得到用于去除重金属离子天然吸附剂；本发明吸附效果好，做成吸附球之后强度较高，不易松散，且制备成本较低。

Description

一种用于去除重金属离子天然吸附剂的制备方法
技术领域
本发明涉及重金属离子吸附剂技术领域，尤其涉及一种用于去除重金属离子天然吸附剂的制备方法。
背景技术
当前，人类社会对于金属矿产品的需求日益增加，进而引起的环境问题也越来越严重，重金属污染成为我们亟待解决的一个问题。重金属污染就是因重金属以及其化合物产生的环境污染现象。由甲基汞引起的水悮病、镉离子引起的痛痛病可见，去除水体当中的重金属成为了我们应当关注的问题。
铬污染主要来源于冶炼、制革、印染、电镀等行业，这些工业把含有铬的废水排进水中，进而使水体受到了污染。通常，水中铬的浓度在1～40μg/L之间。天然水体中铬的存在形式主要为Cr3+、CrO2-、CrO4 2-、Cr2O7 2-等，因水中的铬元素主要是三价铬与六价铬。六价铬对人体会产生较大的毒害作用，进入人体的六价铬会刺激、腐蚀消化道，从而引起人的呕吐、恶心、腹泻、胃烧灼痛、便血、损害肾脏，严重的时候甚至会昏迷休克；与六价铬废水长时间接触会导致皮肤受损，具体症状为湿疹、皮炎，甚至铬疮；六价铬现已确认具有致癌作用。同时三价铬虽是人体必须的元素，但过量摄入也会产生有害作用。
天然吸附剂，主要是农业副产品或者是废弃物，如花生壳、玉米芯、贝壳粉等，然而目前的天然吸附剂吸附效率低，并且做成吸附球之后强度较低，并且使用时容易松散，例如，一种在中国专利文献上公开的“处理有机废气的多级天然吸附剂的制备和使用方法”，其公告号CN100455348C，其公开了一种处理有机废气的多级天然吸附剂的制备和使用方法。制备方法如下：1)清洗废弃的植物角质，去除剩余果肉、种子杂质，干燥，粉碎，过筛20～200目，制得有机废气的初级天然吸附剂；2)将初级天然吸附剂加入淋洗液中，初级天然吸附剂与淋洗液的质量体积比为1∶1000～1∶10000，经喷淋，同时去除有机废气中的亲水性和疏水性有机污染物；沉淀后，回收吸附有有机污染物的初级天然吸附剂，经干燥，在100～200℃下炭化2～6小时，制得次级天然吸附剂。然而该发明仅仅是将剩余果肉、种子杂质干燥粉碎，吸附效率低，效果差，并且做成吸附球之后强度较低，使用时容易松散。
发明内容
本发明是为了克服目前的天然吸附剂吸附效率低，并且做成吸附球之后强度较低，并且使用时容易松散等问题，提出了一种用于去除重金属离子天然吸附剂的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于去除重金属离子天然吸附剂的制备方法，包括以下制备步骤：
1)将膨润土置于水中，混合0.5-2h后得到膨润土悬浮液；将羟乙基纤维素置于水中，混合0.5-2h后得到羟乙基纤维素悬浮液；
2)将膨润土悬浮液、羟乙基纤维素悬浮液和甲醚化六羟甲基三聚氰胺树脂混合得到混合溶液，加入酸性溶液将调节pH至3-5，随后冷冻干燥，再置于80-120℃的烘箱中保温3-8h，得到纤维素复合气凝胶；研磨后得到纤维素复合气凝胶微粒；
3)选取瓜子壳、花生壳，清洗去灰，烘干后研磨过筛备用；
4)将膨润土、甲壳素、海藻酸钠、研磨过筛后的瓜子壳、花生壳与水混合得到原料液，随后加入聚环氧氯丙烷二甲胺水溶液、铁粉和纤维素复合气凝胶微粒，混合均匀并揉成吸附微球，置于100-120℃下烘干1-3h，得到预吸附剂；
5)将预吸附剂置于坩埚中，用锡纸包裹坩埚后置于马弗炉中，在350-550℃下煅烧4-8h，冷却后得到用于去除重金属离子天然吸附剂。
本发明在制备过程中，首先将膨润土、羟乙基纤维素和甲醚化六羟甲基三聚氰胺树脂混合制备得到了纤维素复合气凝胶，其中，羟乙基纤维素上面的羟基会和膨润土形成氢键，并且，羟乙基纤维素上的羟基能够与甲醚化六羟甲基三聚氰胺树脂表面的羟基发生化学交联，因此，膨润土和甲醚化六羟甲基三聚氰胺树脂牢牢得固定在纤维素复合气凝胶上，使得纤维素复合气凝胶的力学性能和结构完整性能够大大增加。
随后，选用膨润土、甲壳素、海藻酸钠、研磨过筛后的瓜子壳、花生壳与水混合得到原料液。其中，瓜子壳、花生壳作为天然原材料，起到吸附的作用；膨润土的主要成分为蒙脱石，既可以起到吸附的作用，也可以使各个成分粘合在一起；海藻酸钠与甲壳素都起到吸附重金属离子的作用，其中海藻酸钠的分子链上有大量羧基可以吸附金属离子，且提供良好的机械性能，而甲壳素的分子中有氨基、羟基，表现出对金属离子很好的螯合作用；随后，在原料液中加入聚环氧氯丙烷二甲胺水溶液、铁粉和纤维素复合气凝胶微粒，其中，使用聚环氧氯丙烷二甲胺主要用于对膨润土进行改性，在改性后，膨润土的层间距会有所增加，增加吸附剂的吸附效果，其次，聚环氧氯丙烷二甲胺能够与纤维通过聚合物的桥架作用发生絮凝，这样，花生壳、瓜子壳纤维能够与膨润土紧密得连接，防止松散，并且，在纤维素复合气凝胶微粒加入后，膨润土上的聚环氧氯丙烷二甲胺也能和纤维素复合气凝胶微粒上的纤维素发生絮凝，从而将纤维素复合气凝胶微粒牢牢包覆，而纤维素复合气凝胶微粒能够带来强大的力学性能，并且纤维素复合气凝胶微粒自身也具有较强的吸附性能，因此纤维素复合气凝胶微粒的加入提高了天然吸附剂的力学性能和吸附能力；加入铁粉的目的则是由于铁粉一方面具有吸附作用，另一方面可以改善吸附剂的密度，使吸附剂不会浮于重金属废水中。最后，通过高温煅烧，得到用于去除重金属离子天然吸附剂，在高温煅烧过程中，煅烧温度低会导致吸附剂活化不完全，更高的温度能够使吸附剂产生更大的比表面积与空面积，增加其吸附能力，而温度过高，则会影响吸附剂内部结构。
作为优选，步骤2)所述混合溶液中各组分的质量份数为：膨润土0.5-1.5份，羟乙基纤维素2-5份，甲醚化六羟甲基三聚氰胺树脂0.5-1份，水100-150份。
在该组分配比下，纤维素复合气凝胶的力学性能更高，结构完整性更好。
作为优选，步骤2)所述酸性溶液包括盐酸溶液、硫酸溶液、硝酸溶液或磷酸溶液。
在制备纤维素复合气凝胶时，需要采用上述酸性溶液将环境pH调整至3-5。
作为优选，步骤2)所述冷冻干燥步骤为：将调节pH后的混合溶液置于0-5℃环境下预冻10-15h，随后置于-40～-30℃，在0.01-0.02MPa的真空状态下冷冻干燥12-24h。
在冷冻干燥时，首先需要将调节pH后的混合溶液置于0-5℃环境下预冻10-15h，预冻就是将溶液中的水固化，赋予干后产品与干燥前相同的形态，防止抽真空干燥时起泡、浓缩和溶质移动等不可逆变化发生，尽量减少由温度引起的物质可溶性减少和生命特性的变化。随后，将预冻后的溶液置于-40～-30℃，在0.01-0.02MPa的真空状态下冷冻干燥12-24h。
作为优选，步骤3)中，过筛所用筛子的孔径为20-200目。
防止处理之后的花生壳、瓜子壳过粗，影响天然吸附剂的吸附效果。
作为优选，步骤4)中所述原料液中各组分的质量份数为：花生壳0-10份，瓜子壳0-10份，甲壳素1-2份，膨润土10-15份，海藻酸钠2-3份。
该配比下，天然吸附剂能够揉搓成球，且吸附效果好。
作为优选，步骤4)中所述聚环氧氯丙烷二甲胺水溶液浓度为2g/L，与膨润土的质量比为1:5-10。
聚环氧氯丙烷二甲胺用于对膨润土进行改性，增加膨润土的层间距，增强其吸附作用，且能够与纤维素发生絮凝，将纤维素复合气凝胶牢牢固定于天然吸附剂中。
作为优选，步骤4)中所述铁粉与膨润土的质量比为2:10-15。
在该配比下，吸附剂可沉于水底，而不是浮在水面上，且质量也不至于过重。
作为优选，步骤4)中所述纤维素复合气凝胶微粒与膨润土的质量比为2:10-15。
该配比下，吸附剂具有较大的强度，不易松散，并且吸附效果好，制备成本低。
因此，本发明具有如下有益效果：本发明首先制备得到力学性能好，吸附性能较高的纤维素复合气凝胶，随后与膨润土、甲壳素、海藻酸钠、研磨过筛后的瓜子壳、花生壳混合制备得到用于去除重金属离子的天然吸附剂，吸附效果好，做成吸附球之后强度较高，不易松散，且制备成本较低。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1：
一种用于去除重金属离子天然吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
1)将膨润土置于水中，混合1h后得到膨润土悬浮液；将羟乙基纤维素置于水中，混合1h后得到羟乙基纤维素悬浮液；
2)将膨润土悬浮液、羟乙基纤维素悬浮液和甲醚化六羟甲基三聚氰胺树脂混合得到混合溶液，其中膨润土1份，羟乙基纤维素3份，甲醚化六羟甲基三聚氰胺树脂0.7份，水120份；随后加入盐酸溶液将调节pH至4，随后置于2℃环境下预冻13h，再置于-35℃，在0.015MPa的真空状态下冷冻干燥16h；随后取出，在100℃的烘箱中保温5h，得到纤维素复合气凝胶；研磨后得到纤维素复合气凝胶微粒；
3)选取瓜子壳、花生壳，清洗去灰，烘干后研磨，采用孔径为100目的筛子过筛备用；
4)将12份膨润土、1.5份甲壳素、3份海藻酸钠、研磨过筛后的5份瓜子壳、5份花生壳与水混合得到原料液，随后加入1.7份2g/L聚环氧氯丙烷二甲胺水溶液、2份铁粉和1.7份纤维素复合气凝胶微粒，混合均匀并揉成吸附微球，置于100℃下烘干3h，得到预吸附剂；
5)将预吸附剂置于坩埚中，用锡纸包裹坩埚后置于马弗炉中，在500℃下煅烧5h，冷却后得到用于去除重金属离子天然吸附剂。
实施例2：
一种用于去除重金属离子天然吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
1)将膨润土置于水中，混合1.5h后得到膨润土悬浮液；将羟乙基纤维素置于水中，混合1.5h后得到羟乙基纤维素悬浮液；
2)将膨润土悬浮液、羟乙基纤维素悬浮液和甲醚化六羟甲基三聚氰胺树脂混合得到混合溶液，其中膨润土1.2份，羟乙基纤维素3.5份，甲醚化六羟甲基三聚氰胺树脂0.8份，水130份；随后加入硫酸溶液将调节pH至5，随后置于4℃环境下预冻11h，再置于-30℃，在0.01MPa的真空状态下冷冻干燥20h；随后取出，在110℃的烘箱中保温7h，得到纤维素复合气凝胶；研磨后得到纤维素复合气凝胶微粒；
3)选取瓜子壳、花生壳，清洗去灰，烘干后研磨，采用孔径为150目的筛子过筛备用；
4)将10份膨润土、1份甲壳素、2份海藻酸钠、研磨过筛后的3份瓜子壳、7份花生壳与水混合得到原料液，随后加入1.6份2g/L聚环氧氯丙烷二甲胺水溶液、2份铁粉和1.3份纤维素复合气凝胶微粒，混合均匀并揉成吸附微球，置于120℃下烘干1h，得到预吸附剂；
5)将预吸附剂置于坩埚中，用锡纸包裹坩埚后置于马弗炉中，在400℃下煅烧7h，冷却后得到用于去除重金属离子天然吸附剂。
实施例3：
一种用于去除重金属离子天然吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
1)将膨润土置于水中，混合0.5h后得到膨润土悬浮液；将羟乙基纤维素置于水中，混合0.5h后得到羟乙基纤维素悬浮液；
2)将膨润土悬浮液、羟乙基纤维素悬浮液和甲醚化六羟甲基三聚氰胺树脂混合得到混合溶液，其中膨润土0.5份，羟乙基纤维素5份，甲醚化六羟甲基三聚氰胺树脂1份，水150份；随后加入硝酸溶液将调节pH至3，随后置于5℃环境下预冻15h，再置于-30℃，在0.01MPa的真空状态下冷冻干燥24h；随后取出，在80℃的烘箱中保温8h，得到纤维素复合气凝胶；研磨后得到纤维素复合气凝胶微粒；
3)选取瓜子壳、花生壳，清洗去灰，烘干后研磨，采用孔径为20目的筛子过筛备用；
4)将15份膨润土、1.7份甲壳素、2.5份海藻酸钠、研磨过筛后的10份花生壳与水混合得到原料液，随后加入3份2g/L聚环氧氯丙烷二甲胺水溶液、2.1份铁粉和2.5份纤维素复合气凝胶微粒，混合均匀并揉成吸附微球，置于110℃下烘干2h，得到预吸附剂；
5)将预吸附剂置于坩埚中，用锡纸包裹坩埚后置于马弗炉中，在550℃下煅烧4h，冷却后得到用于去除重金属离子天然吸附剂。
实施例4：
一种用于去除重金属离子天然吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
1)将膨润土置于水中，混合2h后得到膨润土悬浮液；将羟乙基纤维素置于水中，混合2h后得到羟乙基纤维素悬浮液；
2)将膨润土悬浮液、羟乙基纤维素悬浮液和甲醚化六羟甲基三聚氰胺树脂混合得到混合溶液，其中膨润土1.5份，羟乙基纤维素2份，甲醚化六羟甲基三聚氰胺树脂0.5份，水100份；随后加入磷酸溶液将调节pH至5，随后置于0℃环境下预冻10h，再置于-40℃，在0.02MPa的真空状态下冷冻干燥12h；随后取出，在120℃的烘箱中保温3h，得到纤维素复合气凝胶；研磨后得到纤维素复合气凝胶微粒；
3)选取瓜子壳、花生壳，清洗去灰，烘干后研磨，采用孔径为200目的筛子过筛备用；
4)将13份膨润土、2份甲壳素、2份海藻酸钠、研磨过筛后的10份瓜子壳与水混合得到原料液，随后加入1.3份2g/L聚环氧氯丙烷二甲胺水溶液、1.7份铁粉和2.6份纤维素复合气凝胶微粒，混合均匀并揉成吸附微球，置于110℃下烘干2h，得到预吸附剂；
5)将预吸附剂置于坩埚中，用锡纸包裹坩埚后置于马弗炉中，在350℃下煅烧8h，冷却后得到用于去除重金属离子天然吸附剂。
对比例1：与实施例1的区别在于，去掉步骤1)和步骤2)，在制备用于去除重金属离子天然吸附剂时不添加纤维素复合气凝胶微粒。
对比例2：与实施例1的区别在于，步骤4)不添加聚环氧氯丙烷二甲胺水溶液。
对比例3：与实施例1的区别在于，步骤5)的煅烧温度为300℃。
对比例4：与实施例1的区别在于，步骤5)的煅烧温度为600℃。
将实施例与对比例制备得到的吸附剂置于重铬酸钾溶液中，快速搅拌进行铬吸附，六价铬的测定方法如下：量取适当体积的透明无色样品于50mL比色管，用蒸馏水稀释至标线。随后加入0.5mL的硫酸溶液、0.5mL的磷酸溶液，混匀。加入2mL显色液，混匀。5-10分钟后在540nm波长处用10mm比色皿，并以蒸馏水为参比测定吸光度。同时用50mL蒸馏水代替样品，按完全相同的步骤做一组空白样品。含铬废水样品的吸光度扣除空白试验测得的吸光度后，在铬标准曲线上查得六价铬的含量，随后采用以下公式算出六价铬吸附量G和去除率R：
Figure BDA0002217179580000061
Figure BDA0002217179580000062
式中：c0——初始时刻溶液中的铬浓度，mg/L；
ct——吸附平衡时溶液中的铬浓度，mg/L；
t——吸附反应的时间，min；
V——溶液体积，L
m——吸附剂的质量，g。
实施例和对比例吸附剂的吸附测量结果如下表所示。
Figure BDA0002217179580000063
Figure BDA0002217179580000071
如上表所示，实施例1制备得到的吸附剂去除率好，且使用之后形态完好，对比例1与实施例1相比，去除率略有下降，并且使用过后吸附剂表面磨损严重，甚至粉碎，说明不添加纤维素复合气凝胶微粒的吸附剂力学性能较差，强度较低。对比例2与实施例1相比，去除量大幅下降，且表面磨损。同样的，对比例3及对比例4与实施例1相比，去除量也大幅下降，这是在高温煅烧过程中，煅烧温度低会导致吸附剂活化不完全，更高的温度能够使吸附剂产生更大的比表面积与空面积，增加其吸附能力，而温度过高，则会影响吸附剂内部结构。

Claims (9)

1.一种用于去除重金属离子天然吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
1）将膨润土置于水中，混合0.5-2h后得到膨润土悬浮液；将羟乙基纤维素置于水中，混合0.5-2h后得到羟乙基纤维素悬浮液；
2）将膨润土悬浮液、羟乙基纤维素悬浮液和甲醚化六羟甲基三聚氰胺树脂混合得到混合溶液，加入酸性溶液将调节pH至3-5，随后冷冻干燥，再置于80-120℃的烘箱中保温3-8h，得到纤维素复合气凝胶；研磨后得到纤维素复合气凝胶微粒；
3）选取瓜子壳、花生壳，清洗去灰，烘干后研磨过筛备用；
4）将膨润土、甲壳素、海藻酸钠、研磨过筛后的瓜子壳、花生壳与水混合得到原料液，随后加入聚环氧氯丙烷二甲胺水溶液、铁粉和纤维素复合气凝胶微粒，混合均匀并揉成吸附微球，置于100-120℃下烘干1-3h，得到预吸附剂；
5）将预吸附剂置于坩埚中，用锡纸包裹坩埚后置于马弗炉中，在350-550℃下煅烧4-8h，冷却后得到用于去除重金属离子天然吸附剂。
2.根据权利要求1所述的一种用于去除重金属离子天然吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤2）所述混合溶液中各组分的质量份数为：膨润土0.5-1.5份，羟乙基纤维素2-5份，甲醚化六羟甲基三聚氰胺树脂0.5-1份，水100-150份。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于去除重金属离子天然吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤2）所述酸性溶液包括盐酸溶液、硫酸溶液、硝酸溶液或磷酸溶液。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于去除重金属离子天然吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤2）所述冷冻干燥步骤为：将调节pH后的混合溶液置于0-5℃环境下预冻10-15h，随后置于-40~-30℃，在0.01-0.02MPa的真空状态下冷冻干燥12-24h。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于去除重金属离子天然吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤3）中，过筛所用筛子的孔径为20-200目。
6.根据权利要求1或2所述的一种用于去除重金属离子天然吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤4）中所述原料液中各组分的质量份数为：花生壳0-10份，瓜子壳0-10份，甲壳素1-2份，膨润土10-15份，海藻酸钠2-3份。
7.根据权利要求1或2所述的一种用于去除重金属离子天然吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤4）中所述聚环氧氯丙烷二甲胺水溶液浓度为2g/L，与膨润土的质量比为1:5-10。
8.根据权利要求1或2所述的一种用于去除重金属离子天然吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤4）中所述铁粉与膨润土的质量比为2:10-15。
9.根据权利要求1或2所述的一种用于去除重金属离子天然吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤4）中所述纤维素复合气凝胶微粒与膨润土的质量比为2:10-15。
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