CN111171186B - 一种β环糊精功能化纤维素的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种β环糊精功能化纤维素的制备方法及其应用,具体涉及一种β环糊精功能化纤维素的制备方法及其应用。本发明的目的是要解决天然β环糊精难以从水溶液中分离、常用的化学方法进行改性的时间长的问题。方法:将稻壳粉置于硫酸溶液中,搅拌,然后用蒸馏水冲洗至中性,进行烘干、研磨和过筛,得到纤维素粉末;将氢氧化钠粉末加入到蒸馏水中,充分溶解后,加入β环糊精,并充分混合,然后加入戊二醛,并置于微波反应器中,微波搅拌反应,再加入纤维素粉末,并微波搅拌反应,得到β环糊精功能化纤维素。本发明可获得一种β环糊精功能化纤维素的制备方法及其应用。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域,具体涉及一种β环糊精功能化纤维素的制备方法及其应用。
背景技术
工业化的快速发展给人类生活带来了诸多好处,同时也产生了大量的重金属废水,严重危害着人类的健康。Pb(II)是一种不可生物降解的有毒金属离子,广泛存在于电池、印刷、陶瓷制造和矿山工厂的废水中,在自然环境中可与多种元素结合形成有毒化合物,人体摄入Pb(II)后,会出现大量异常症状,如免疫力低下、食欲不振、智力低下等。
多年来,人们提出了许多处理方法来消除水溶液中的Pb(II),如化学混凝沉淀、离子交换和膜系统。相比之下,吸附方法因其制备简单、成本低廉的特点而被认为是一种有效且有发展前景的技术,而将重金属离子固定在由无毒高效材料制备的吸附剂上引起了人们的广泛关注。环糊精聚合物是一种环状低聚糖的总称,由于其清除污染物的能力越来越受到人们的欢迎。一般来说,它们包括6、7、8-吡喃葡萄糖单位,因此可分为α-,β-和γ-环糊精。其中,由于β环糊精具有分子空腔结构,应用范围广泛且生产成本较低,因此β环糊精使用最为广泛。然而,由于其易溶于水,天然β环糊精在结合污染物后难以从水溶液中分离。并且,在许多研究中,常用的化学方法进行改性的时间往往需要数小时甚至数天,严重阻碍了吸附剂的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是要解决天然β环糊精难以从水溶液中分离、常用的化学方法进行改性的时间长的问题,而提供一种β环糊精功能化纤维素的制备方法及其应用。
一种β环糊精功能化纤维素的制备方法,按以下步骤完成:
一、将稻壳粉置于硫酸溶液中,搅拌60min~70min,然后用蒸馏水冲洗至中性,进行烘干、研磨和过100目筛,得到纤维素粉末,所述稻壳粉的质量与硫酸溶液的体积的比为(0.7g~1.1g):(2.5mL~4.5mL);
二、将氢氧化钠粉末加入到蒸馏水中,充分溶解后,加入β环糊精,并充分混合,然后加入戊二醛,并置于微波反应器中,以240W~260W的微波功率搅拌反应8min~10min,再加入纤维素粉末,并以240W~260W的微波功率搅拌反应5min~7min,得到β环糊精功能化纤维素;所述氢氧化钠粉末的质量与蒸馏水的体积的比为(3.0g~4.0g):(45mL~50mL),氢氧化钠粉末与β环糊精的质量比为(3.0~4.0):(1.7~2.1),β环糊精与纤维素粉末的质量比为(1.7~2.1):(0.2~0.4),纤维素粉末的质量与戊二醛的体积的比为(0.28g~0.32g):(0.8mL~1.2mL)。
一种β环糊精功能化纤维素的应用,所述β环糊精功能化纤维素用于吸附水中的Pb。
本发明的有益效果:
本发明一种β环糊精功能化纤维素的制备方法及其应用,通过微波辐射实现材料改性,解决了天然β环糊精在结合污染物后难以从水溶液中分离的问题,并且改性时间短(仅为0.28h),制备工艺快速、简单;制备得到的β环糊精功能化纤维素具有高效的吸附性能和良好的可重复使用性,可高效吸附工业废水中的Pb(II),促进了废水中重金属吸附剂的开发与应用。本发明制备的β环糊精功能化纤维素,在pH为4.0时对Pb(II)的吸附容量可达279.08mg/g;并且所述β环糊精功能化纤维素吸附Pb(II)溶液,在4轮脱附后对Pb(II)的去除效率保持在85.0%左右,表明β环糊精功能化纤维素有优秀的可重复利用性。
本发明可获得一种β环糊精功能化纤维素的制备方法及其应用。
附图说明
图1为实施例一β环糊精功能化纤维素的脱附实验图,1代表0~4轮脱附后Pb(II)的去除率;
图2为实施例一中检验共存离子对β环糊精功能化纤维素的吸附Pb(II)性能的影响图;
图3为实施例一β环糊精功能化纤维素的动力学实验图,1代表动力学二阶模型拟合Pb(II),2代表动力学一阶模型拟合Pb(II),■代表0~60min内β环糊精功能化纤维素对Pb(II)的吸附容量;
图4为实施例一β环糊精功能化纤维素在5℃下的等温线实验图,1代表Langmuir模型拟合,2代表Freundlich模型拟合,3代表Sips模型拟合,■代表不同平衡浓度下β环糊精功能化纤维素对Pb(II)的吸附容量;
图5为实施例一β环糊精功能化纤维素在20℃下的等温线实验图,1代表Langmuir模型拟合,2代表Freundlich模型拟合,3代表Sips模型拟合,■代表不同平衡浓度下β环糊精功能化纤维素对Pb(II)的吸附容量;
图6为实施例一β环糊精功能化纤维素在35℃下的等温线实验图,1代表Langmuir模型拟合,2代表Freundlich模型拟合,3代表Sips模型拟合,■代表不同平衡浓度下β环糊精功能化纤维素对Pb(II)的吸附容量;
图7为实施例一β环糊精功能化纤维素在不同的溶液pH值下对不同浓度Pb(II)的吸附容量对比以及电势对比,溶液中铅浓度分别为:1代表10mg/L,2代表30mg/L,3代表50mg/L,●代表β环糊精功能化纤维素对Pb(II)的吸附容量。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式一种β环糊精功能化纤维素的制备方法,按以下步骤完成:
一、将稻壳粉置于硫酸溶液中,搅拌60min~70min,然后用蒸馏水冲洗至中性,进行烘干、研磨和过100目筛,得到纤维素粉末,所述稻壳粉的质量与硫酸溶液的体积的比为(0.7g~1.1g):(2.5mL~4.5mL);
二、将氢氧化钠粉末加入到蒸馏水中,充分溶解后,加入β环糊精,并充分混合,然后加入戊二醛,并置于微波反应器中,以240W~260W的微波功率搅拌反应8min~10min,再加入纤维素粉末,并以240W~260W的微波功率搅拌反应5min~7min,得到β环糊精功能化纤维素;所述氢氧化钠粉末的质量与蒸馏水的体积的比为(3.0g~4.0g):(45mL~50mL),氢氧化钠粉末与β环糊精的质量比为(3.0~4.0):(1.7~2.1),β环糊精与纤维素粉末的质量比为(1.7~2.1):(0.2~0.4),纤维素粉末的质量与戊二醛的体积的比为(0.28g~0.32g):(0.8mL~1.2mL)。
本实施方式的有益效果:
本实施方式一种β环糊精功能化纤维素的制备方法及其应用,通过微波辐射实现材料改性,解决了天然β环糊精在结合污染物后难以从水溶液中分离的问题,并且改性时间短(仅为0.28h),制备工艺快速、简单;制备得到的β环糊精功能化纤维素具有高效的吸附性能和良好的可重复使用性,可高效吸附工业废水中的Pb(II),促进了废水中重金属吸附剂的开发与应用。本实施方式制备的β环糊精功能化纤维素,在pH为4.0时对Pb(II)的吸附容量可达279.08mg/g;并且所述β环糊精功能化纤维素吸附Pb(II)溶液,在4轮脱附后对Pb(II)的去除效率保持在85.0%左右,表明β环糊精功能化纤维素有优秀的可重复利用性。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同点是:步骤一中所述的稻壳粉按以下步骤制备:先将稻壳用蒸馏水冲洗4次~6次,然后在65℃~85℃下烘干,烘干后进行研磨,再过100目筛,得到稻壳粉。
其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二不同点是:步骤一中所述的硫酸溶液的浓度为18.4mol/L,硫酸溶液中H2SO4的质量分数为98%。
其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是:步骤一中所述在65℃~85℃下进行烘干。
其他步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是:步骤一中所述稻壳粉的质量与硫酸溶液的体积的比为1g:3mL。
其他步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是:步骤二中所述置于微波反应器中,以250W的微波功率搅拌反应10min。
其他步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是:步骤二中所述加入纤维素粉末,并以250W的微波功率搅拌反应7min,得到β环糊精功能化纤维素。
其他步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是:步骤二中所述氢氧化钠粉末与β环糊精的质量比为3.5:2,氢氧化钠粉末的质量与蒸馏水的体积的比为3.5g:50mL,β环糊精与纤维素粉末的质量比为2:0.3,纤维素粉末的质量与戊二醛的体积的比为0.3g:1mL。
其他步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九:本实施方式一种β环糊精功能化纤维素的应用,所述β环糊精功能化纤维素用于吸附水中的Pb。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式九不同点是:所述β环糊精功能化纤维素用于吸附水中的Pb时,β环糊精功能化纤维素的添加量为0.5g/L。
其他步骤与具体实施方式九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果:
实施例一:一种β环糊精功能化纤维素的制备方法,按以下步骤完成:
一、将稻壳粉置于硫酸溶液中,搅拌60min,然后用蒸馏水冲洗至中性,在75℃下进行烘干、研磨和过100目筛,得到纤维素粉末,所述稻壳粉的质量与硫酸溶液的体积的比为1g:3mL;
步骤一中所述的稻壳粉按以下步骤制备:先将稻壳用蒸馏水冲洗6次,然后在75℃下烘干,烘干后进行研磨,再过100目筛,得到稻壳粉;所述硫酸溶液的浓度为18.4mol/L,硫酸溶液中H2SO4的质量分数为98%。
二、将3.5g氢氧化钠粉末加入到50mL蒸馏水中,充分溶解后,加入2.0gβ环糊精,并充分混合,然后加入1mL戊二醛,并置于微波反应器中,以250W的微波功率搅拌反应10min,再加入0.3g纤维素粉末,并以250W的微波功率搅拌反应7min,得到β环糊精功能化纤维素。
利用本实施例制备的β环糊精功能化纤维素,分别进行了脱附、共存离子、动力学、等温线、吸附Pb(II)以及各类吸附剂吸附效果对比实验,具体结论如下:
1、脱附和共存离子影响:
脱附:先用0.5mol/L的盐酸溶液浸泡本实施例制备的β环糊精功能化纤维素60min,随后用蒸馏水洗至中性,烘箱60℃下过夜烘干,得到再生材料。如图1所示,β环糊精功能化纤维素吸附Pb(II)溶液,在4轮脱附后对Pb(II)的去除效率保持在85.0%左右,表明β环糊精功能化纤维素有优秀的可重复利用性。
共存离子影响:0.03mol/L的Na(I),K(I),Ca(II)和Mg(II)作为共存离子,检验此环境下β环糊精功能化纤维素对Pb(II)的吸附性能。如图2所示,加入共存离子后,β环糊精功能化纤维素对Pb(II)的去除效率几乎没有下降,Pb(II)的去除率始终高于90%,说明共存离子的存在对Pb(II)的吸附几乎没有影响。
2、动力学:
吸附过程是:溶液初始浓度为100mg/L,pH=4.3,温度为20℃,本实施例制备的β环糊精功能化纤维素材料投加量是0.5g/L,将材料投加到100mL污染物溶液中,置于水域摇床内20℃下吸附1小时;
如图3所示,Pb(II)的吸附过程在前10min内非常迅速,并且β环糊精功能化纤维素在20min内达到吸附平衡。因为β环糊精功能化纤维素表面有大量的活跃的位点(羟基),忽视了在吸附过程中传质扩散阻力。拟二阶动力学模型对Pb(II)吸附的R2值较高,说明拟二阶动力学模型更适合描述动力学数据,说明Pb(II)的吸附是一个化学吸附过程。
3、等温线:
等温线条件:铅溶液浓度范围:10mg/L~300mg/L,pH=4.3,本实施例制备的β环糊精功能化纤维素材料投加量为0.5g/L;将0.05g材料投加到100mL不同浓度的污染物溶液中,分别在5℃、20℃和35℃下,pH为4.3的水浴摇床中吸附1小时。
如图4~图6所示,当温度从5℃升高到35℃时,Pb(II)的吸附量呈上升趋势,说明Pb(II)的吸附放热反应是吸热性的。
随着初始浓度的增加,β环糊精功能化纤维素对Pb(II)的吸收逐步提高,这是因为在最初的阶段相对较高的浓度梯度可以提高吸附功效,当水温从5℃升高到35℃时,Pb(II)的吸热性呈上升趋势,说明吸附Pb(II)是吸热反应。
朗缪尔等温线(R2>0.9)和sip模型(R2>0.9)可以更好符合的Pb(II)吸收数据,说明β环糊精功能化纤维素对Pb(II)的吸附是单层均匀吸附。
4、各类吸附剂吸附效果对比实验:
表1为各类吸附剂吸附效果对比;
本实施例制备的β环糊精功能化纤维素材料与常规加热方法制备吸附剂相比,制备时间更短,吸附效果更佳。
表1
5、溶液pH值影响实验
由于pH值对吸附剂和污染物的表面电荷和电离度都有影响,因此pH值被认为是吸附过程中的一个重要因素。
如图7所示,在pH低于2.0的条件下,β环糊精功能化纤维素对Pb(II)的吸附能力受到了影响;然而,当pH值逐渐增加从2.0增加到3.0,Pb(II)的吸附容量显著增加,并在3.0到6.0时保持在一个高水平的吸附容量,图中给出了β环糊精功能化纤维素的zeta电位为2.2。当pH高于2.2时,β环糊精功能化纤维素表面带正电;当pH低于2.2时,β环糊精功能化纤维素表面带负电。在pH<2.2时,β环糊精功能化纤维素的官能团表面质子化,由于产生了静电斥力,从而阻碍带正电的Pb(II)与β环糊精功能化纤维素的结合;而随着溶液pH值的逐渐升高,Pb(II)的吸收率明显提高,这是由于带负电荷的β环糊精功能化纤维素与阳离子Pb(II)之间存在静电吸引;pH值在3.0~6.0之间,吸附容量稳定且保持在高水平,这是因为β环糊精功能化纤维素的表面不再有电荷影响。
Claims (4)
1.一种β环糊精功能化纤维素的制备方法,其特征在于该制备方法按以下步骤完成:
一、将稻壳粉置于硫酸溶液中,搅拌60min~70min,然后用蒸馏水冲洗至中性,进行烘干、研磨和过100目筛,得到纤维素粉末,所述稻壳粉的质量与硫酸溶液的体积的比为(0.7g~1.1g):(2.5mL~4.5mL);所述的稻壳粉按以下步骤制备:先将稻壳用蒸馏水冲洗4次~6次,然后在65℃~85℃下烘干,烘干后进行研磨,再过100目筛,得到稻壳粉;
二、将氢氧化钠粉末加入到蒸馏水中,充分溶解后,加入β环糊精,并充分混合,然后加入戊二醛,并置于微波反应器中,以250W的微波功率搅拌反应10min,再加入纤维素粉末,并以250W的微波功率搅拌反应7min,得到β环糊精功能化纤维素,所述β环糊精功能化纤维素用于吸附水中的Pb,β环糊精功能化纤维素的添加量为0.5g/L;所述氢氧化钠粉末的质量与蒸馏水的体积的比为3.5g:50mL,氢氧化钠粉末与β环糊精的质量比为3.5:2,β环糊精与纤维素粉末的质量比为2:0.3,纤维素粉末的质量与戊二醛的体积的比为0.3g:1mL。
2.根据权利要求1所述的一种β环糊精功能化纤维素的制备方法,其特征在于步骤一中所述的硫酸溶液的浓度为18.4mol/L,硫酸溶液中H2SO4的质量分数为98%。
3.根据权利要求1所述的一种β环糊精功能化纤维素的制备方法,其特征在于步骤一中所述在65℃~85℃下进行烘干。
4.根据权利要求1所述的一种β环糊精功能化纤维素的制备方法,其特征在于步骤一中所述稻壳粉的质量与硫酸溶液的体积的比为1g:3mL。
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