CN110841609A - 一种高分子基重金属吸附剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高分子基重金属吸附剂的制备方法，该方法是加热使水溶性高分子发生部分分解，分解温度为150℃～350℃，分解时间为0.5小时～6小时，生成不溶于水的固体物质，用溶剂洗涤固体物质，烘干，得到吸附水中重金属的吸附剂；所述水溶性高分子是聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、聚甲基丙烯酸钠、聚马来酸钠中的一种或几种。本发明通过加热分解的方式将羧甲基纤维素钠等水溶性高分子进行改性，可以得到不溶于水的重金属吸附剂。吸附实验表明制备得到的高分子基吸附剂对铅、镉、铬、汞、铜重金属离子具有良好的吸附效果，在环境保护、水处理、电池、电镀、皮革、化工、农业等领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种高分子基重金属吸附剂的制备方法，属于环境保护及化工分离领域。
背景技术
工业和农业生产过程产生有毒重金属物质，造成水体污染。例如，大量的六价铬会增加出现严重腹泻和膀胱癌的风险，会导致肝癌、肾癌和皮肤癌。二价铅离子会影响红细胞、神经系统和肾脏的正常功能，从而导致精神疾病。另外，重金属元素会在稻米、鱼类、虾蟹类等食品中积累，对自然环境和人类健康构成长期威胁。因此，人们不断开发先进的技术来补救过去的污染并防止这些金属离子的进一步排放，主要包括沉降过滤、离子交换、反渗透、膜分离、电化学还原等。然而，由于高昂的运营成本和工业化的可行性低，大多数方法并未得到广泛使用。相比之下，吸附技术具有成本低、设计简单、易于操作等优势，成为迄今为止最常见、最有前途的方法。
然而，目前的吸附剂的吸附容量仍然不够理想。以铅离子吸附剂为例，绝大多数铅吸附剂的吸附量低于300 毫克铅离子/每克吸附剂。但是自然水体的水量庞大，以广西境内的中小型河流——柳江河为例，其平均流量为3000立方米每秒，若某吸附剂的吸附量为200毫克铅离子/每克吸附剂，且受污染水体的铅浓度为100ppm，则每小时需要投放5400吨吸附剂才能将污染江水净化为可饮用水。若污染事件共持续数天，则通常需要数亿元人民币的资金投入。如果能将吸附剂的吸附量提高到几千毫克铅离子/每克吸附剂，则仅需数千万元人民币则可完全消除污染物，以保障人民群众的生命、健康及食品安全。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种高分子基重金属吸附剂的制备方法，该方法通过加热分解的方式将水溶性高分子进行改性，可以得到不溶于水的重金属吸附剂，该高分子基吸附剂对铅、镉、铬、汞、铜重金属离子具有良好的吸附效果。
解决上述技术问题的技术方案是：一种高分子基重金属吸附剂的制备方法，加热使水溶性高分子发生部分分解，分解温度为150℃～350℃，分解时间为0.5小时～6小时，生成不溶于水的固体物质，用溶剂洗涤固体物质，烘干，得到吸附水中重金属的吸附剂；所述水溶性高分子是聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、聚甲基丙烯酸钠、聚马来酸钠中的一种或几种。
进一步的，所述溶剂包括水、乙醇、甲醇中的一种或几种。
进一步的，加热分解在空气、氮气或氩气气氛下进行。
进一步的，烘干温度为50℃～200℃。
进一步的，重金属包括铅、镉、铬、汞、铜中的一种或几种。
进一步的，重金属吸附剂对铅离子的饱和吸附量为300～4000毫克铅离子/每克吸附剂。
进一步的，吸附水中重金属之后，流失于水中的吸附剂重量低于吸附剂初始总重的2%。
本发明的原理是：聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、聚甲基丙烯酸钠、聚马来酸钠是易溶于水的固体高分子物质，在150℃～350℃下加热时，会使少量亲水基团分解为气体，脱离高分子表面，剩余固体不再溶于水，但固体表面仍保留大量羧基，因此能够吸附重金属离子。
本发明通过加热分解的方式将羧甲基纤维素钠等水溶性高分子进行改性，可以得到不溶于水的重金属吸附剂。吸附实验表明该高分子基吸附剂对铅、镉、铬、汞、铜重金属离子具有良好的吸附效果。本发明方法制得的吸附材料在环境保护、水处理、电池、电镀、皮革、化工、农业等领域具有广阔的应用前景。
具体实施方式
实施例1
将1克羧甲基纤维素钠在250℃、氮气气氛下加热改性一小时，用超纯水将改性固体洗涤8次，将固体置于100℃烘箱中烘干，得到0.78克黑色吸附剂。取0.1克吸附剂与100克含铅200ppm的硝酸铅水溶液混合，在25℃下吸附1小时。取样10毫升，滤膜过滤后，用原子吸收分光光度计直接测水溶液中的含铅量，为1ppm。另外测得流失于水中的吸附剂重量为吸附剂初始总重的0.2%；对铅离子的饱和吸附量为3175毫克铅离子/每克吸附剂。
另外，分别取实施例1制备的0.1克吸附剂与100克含镉的硝酸镉水溶液、含汞的工业废水、含铬的工业废水、含铜的工业废水混合，在25℃下吸附1小时。取样10毫升，滤膜过滤后，分别用原子吸收分光光度计直接测水溶液中镉、汞、铬、铜的含量；再检测流失于水中的吸附剂重量，结果见表1。
表1 实施例1制备的重金属吸附剂的吸附效果一览表
对比例1
取0.1克羧甲基纤维素钠分别与100克含铅的硝酸铅水溶液、含镉的硝酸镉水溶液、含汞的工业废水、含铬的工业废水、含铜的工业废水混合，在25℃下吸附1小时。取样10毫升，滤膜过滤后，加水稀释，分别用原子吸收分光光度计测水溶液中的铅、镉、汞、铬、铜的含量，折算为稀释前的重金属含量，结果见表2。
表2 羧甲基纤维素钠对重金属离子的吸附效果一览表
从表1和表2可以看出，和实施例1改性的羧甲基纤维素钠相比，羧甲基纤维素钠基本不具备对重金属离子的吸附能力。
实施例2
将1克聚丙烯酸钠在300℃、空气气氛下加热改性半小时，用超纯水将改性固体洗涤9次，将固体置于120℃烘箱中烘干，得到0.81克褐色吸附剂。取0.1克吸附剂与100克含铅100ppm的硝酸铅水溶液混合，在25℃下吸附1小时。取样10毫升，滤膜过滤后，用原子吸收分光光度计直接测水溶液中的含铅量，为1.8ppm。另外测得流失于水中的吸附剂重量为吸附剂初始总重的0.4%；对铅离子的饱和吸附量为1648毫克铅离子/每克吸附剂。
另外，分别取实施例2制备的0.1克吸附剂与100克含镉的硝酸镉水溶液、含汞的工业废水、含铬的工业废水、含铜的工业废水混合，在25℃下吸附1小时。取样10毫升，滤膜过滤后，分别用原子吸收分光光度计直接测水溶液中镉、汞、铬、铜的含量；再检测流失于水中的吸附剂重量，结果见表3。
表3 实施例2制备的重金属吸附剂的吸附效果一览表
对比例2
取0.1克聚丙烯酸钠分别与100克含铅的硝酸铅水溶液、含镉的硝酸镉水溶液、含汞的工业废水、含铬的工业废水、含铜的工业废水混合，在25℃下吸附1小时。取样10毫升，滤膜过滤后，加水稀释，分别用原子吸收分光光度计测水溶液中的铅、镉、汞、铬、铜的含量，折算为稀释前的重金属含量，结果见表4。
表4 聚丙烯酸钠对重金属离子的吸附效果一览表
从表3和表4可以看出，和实施例2改性的聚丙烯酸钠相比，聚丙烯酸钠基本不具备对重金属离子的吸附能力。
实施例3
将10克海藻酸钠在320℃、空气气氛下加热改性半小时，用甲醇将改性固体洗涤15次，将固体置于120℃烘箱中烘干，得到7.2克棕色吸附剂。取2.4克吸附剂与1升含镉120ppm的硝酸镉水溶液混合，在25℃下吸附1小时。取样10毫升，滤膜过滤后，用水稀释10倍，用原子吸收分光光度计测水溶液中的含镉量，折算为稀释前的含镉量为3.2ppm。另外测得流失于水中的吸附剂重量为吸附剂初始总重的0.7%；对镉离子的饱和吸附量为749毫克镉离子/每克吸附剂。
另外，分别取实施例3制备的2.4克吸附剂与1升含铅的硝酸铅水溶液、含汞的工业废水、含铬的工业废水、含铜的工业废水混合，在25℃下吸附1小时。取样10毫升，滤膜过滤后，分别用原子吸收分光光度计直接测水溶液中铅、汞、铬、铜的含量；再检测流失于水中的吸附剂重量，结果见表5。
表5 实施例3制备的重金属吸附剂的吸附效果一览表
对比例3
取2.4克海藻酸钠分别与1升含铅的硝酸铅水溶液、含镉的硝酸镉水溶液、含汞的工业废水、含铬的工业废水、含铜的工业废水混合，在25℃下吸附1小时。取样10毫升，滤膜过滤后，加水稀释，分别用原子吸收分光光度计测水溶液中的铅、镉、汞、铬、铜的含量，折算为稀释前的重金属含量，结果见表6。
表6 海藻酸钠对重金属离子的吸附效果一览表
从表5和表6可以看出，和实施例3改性的海藻酸钠相比，海藻酸钠基本不具备对重金属离子的吸附能力。
实施例4
将10公斤聚甲基丙烯酸钠在280℃、空气气氛下加热改性1小时，用超纯水将改性固体洗涤9次，将固体置于150℃烘箱中烘干，得到6.89公斤褐色吸附剂。取4公斤吸附剂与3吨含汞178ppm的工业废水混合，在24℃下吸附1.5小时。取样10毫升，滤膜过滤后，用原子吸收分光光度计直接测水溶液中的含汞量，为0.6ppm。另外测得流失于水中的吸附剂重量为吸附剂初始总重的1.1%。
另外，分别取实施例4制备的4公斤吸附剂与3吨含铅的硝酸铅水溶液、含镉的硝酸镉水溶液、含铬的工业废水、含铜的工业废水混合，在24℃下吸附1.5小时。取样10毫升，滤膜过滤后，分别用原子吸收分光光度计直接测水溶液中铅、汞、铬、铜的含量；再检测流失于水中的吸附剂重量，结果见表7。
表7 实施例4制备的重金属吸附剂的吸附效果一览表
对比例4
取4公斤聚甲基丙烯酸钠分别与3吨含铅的硝酸铅水溶液、含镉的硝酸镉水溶液、含汞的工业废水、含铬的工业废水、含铜的工业废水混合，在24℃下吸附1.5小时。取样10毫升，滤膜过滤后，加水稀释，分别用原子吸收分光光度计测水溶液中的铅、镉、汞、铬、铜的含量，折算为稀释前的重金属含量，结果见表8。
表8 聚甲基丙烯酸钠对重金属离子的吸附效果一览表
从表7和表8可以看出，和实施例4改性的聚甲基丙烯酸钠相比，聚甲基丙烯酸钠基本不具备对重金属离子的吸附能力。
实施例5
将1公斤聚马来酸钠在270℃、氩气气氛下加热改性1小时，用乙醇将改性固体洗涤12次，将固体置于130℃烘箱中烘干，得到0.73公斤黄色吸附剂。取120克吸附剂与50公斤含铬82ppm的工业废水混合，在23℃下吸附3小时。取样10毫升，滤膜过滤后，用原子吸收分光光度计直接测水溶液中的含铬量，为1.7ppm。另外测得流失于水中的吸附剂重量为吸附剂初始总重的1.3%。
另外，分别取实施例5制备的120克吸附剂与50公斤含铅的硝酸铅水溶液、含镉的硝酸镉水溶液、含汞的工业废水、含铜的工业废水混合，在23℃下吸附3小时。取样10毫升，滤膜过滤后，分别用原子吸收分光光度计直接测水溶液中铅、汞、铬、铜的含量；再检测流失于水中的吸附剂重量，结果见表9。
表9 实施例5制备的重金属吸附剂的吸附效果一览表
对比例5
取120克聚马来酸钠分别与50公斤含铅的硝酸铅水溶液、含镉的硝酸镉水溶液、含汞的工业废水、含铬的工业废水、含铜的工业废水混合，在23℃下吸附3小时。取样10毫升，滤膜过滤后，加水稀释，分别用原子吸收分光光度计测水溶液中的铅、镉、汞、铬、铜的含量，折算为稀释前的重金属含量，结果见表10。
表10 聚马来酸钠对重金属离子的吸附效果一览表
从表9和表10可以看出，和实施例5改性的聚马来酸钠相比，聚马来酸钠基本不具备对重金属离子的吸附能力。
上述各实施例仅为效果较好的实现方式，除此之外，仍有许多类似方法可实现本发明，凡采用等同或等效替换的技术方案，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高分子基重金属吸附剂的制备方法，其特征在于：加热使水溶性高分子发生部分分解，分解温度为150℃～350℃，分解时间为0.5小时～6小时，生成不溶于水的固体物质，用溶剂洗涤固体物质，烘干，得到吸附水中重金属的吸附剂；所述水溶性高分子是聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、聚甲基丙烯酸钠、聚马来酸钠中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的一种高分子基重金属吸附剂的制备方法，其特征在于：所述溶剂包括水、乙醇、甲醇中的一种或几种。
3.根据权利要求1或2所述的一种高分子基重金属吸附剂的制备方法，其特征在于：加热分解在空气、氮气或氩气气氛下进行。
4.根据权利要求1或2所述的一种高分子基重金属吸附剂的制备方法，其特征在于：烘干温度为50℃～200℃。
5.根据权利要求1或2所述的一种高分子基重金属吸附剂的制备方法，其特征在于：重金属包括铅、镉、铬、汞、铜中的一种或几种。
6.根据权利要求1或2所述的一种高分子基重金属吸附剂的制备方法，其特征在于：重金属吸附剂对铅离子的饱和吸附量为300～4000毫克铅离子/每克吸附剂。
7.根据权利要求1或2所述的一种高分子基重金属吸附剂的制备方法，其特征在于：吸附水中重金属之后，流失于水中的吸附剂重量低于吸附剂初始总重的2%。
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