CN111672434A - 一种具有重金属离子吸附和油水分离功能的纤维素气凝胶制备方法 - Google Patents

一种具有重金属离子吸附和油水分离功能的纤维素气凝胶制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有重金属离子吸附和油水分离功能的纤维素气凝胶制备方法，该方法包括以下步骤：(1)将纤维素分散在水中，加入三羟甲基氨基甲烷，搅拌，使其形成悬浮液；(2)在所述悬浮液中加入单宁酸和腰果酚衍生硅氧烷混合溶液，在室温条件下反应一段时间，得到混合物；(3)将所述混合物倒入模具中，冷冻干燥，得到具有重金属离子吸附和油水分离双重功能的纤维素基气凝胶。该方法制得的具有重金属离子吸附和油水分离功能的纤维素气凝胶用于含重金属离子或含油废水处理。

Description

一种具有重金属离子吸附和油水分离功能的纤维素气凝胶制 备方法
技术领域
本发明涉及水环境治理领域，尤其涉及一种具有水体重金属离子吸附及油水分离功能的吸附材料及其制备方法。
背景技术
近些年来，随着经济的不断发展和工业化进程的加快，越来越多的水体受到了不同程度的污染。众多污染物中，重金属废水和含油废水作为水体两大常见的污染源，对人类健康、水环境以及生态环境平衡造成了很大的危害。目前，水体重金属离子和含油废水处理方法主要包括：电化学法、生物法、吸附法、膜分离法、化学沉淀法等，其中，吸附法因具有高效、环保等优势而引起国内外广泛关注。
在吸附法中，气凝胶材料具有低密度、高孔隙率、高比表面积等优势，成为一种新型的吸附剂。目前，传统气凝胶吸附材料用于废水处理领域存在许多问题：成本高、制备工艺复杂、耗能过大，选择吸附能力差以及难以回收等问题。更重要的是，受污染水体成分一般较为复杂，大多数传统的气凝胶只能针对其中一种污染物进行去除，这极大的限制了它们在吸附污染物中的实际应用。因此，急需开发一种成本低、可再生，具有多重快速吸附效应的新型气凝胶吸附材料。
纤维素作为一类天然高分子，逐渐引起研究者的广泛关注。纤维素是一种纤维状、多毛细管的立体规整性的高分子，具有多孔及比表面积大的特性，这有利于对重金属离子的物理吸附。纤维素气凝胶吸附材料主要是利用其表面的官能团对重金属离子进行螯合吸附。然而，天然纤维素表面活性基团极少，且含有的大量杂质、表面胶质、色素等，导致其对金属离子的吸附能力很弱。除此之外，纤维素固有的强亲水性导致气凝胶在与水溶液接触时易发生坍塌而破坏其三维结构，从而限制了其在油水分离中的应用。因此，为提高纤维素气凝胶的多功能吸附效应，需对纤维素表面进行功能化改性处理。
发明内容
针对背景技术中提出的问题，本发明提供一种具有重金属离子吸附和油水分离功能的纤维素气凝胶制备方法。
本发明提供的一种具有重金属离子吸附和油水分离功能的纤维素气凝胶制备方法，包括以下步骤：
(1)将纤维素分散在水中，加入三羟甲基氨基甲烷搅拌，使纤维素分散均匀形成悬浮液；
(2)在所述悬浮液中加入单宁酸和腰果酚衍生硅氧烷混合溶液，在10～40℃条件下反应一段时间，得到混合物；
(3)将所述混合物倒入模具中，冷冻干燥，得到具有重金属离子吸附和油水分离双重功能的纤维素基气凝胶。
优选的，所述纤维素的直径为5-20nm，长度为2-7μm。
优选的，所述单宁酸和腰果酚衍生硅氧烷混合溶液由腰果酚衍生硅氧烷与无水乙醇充分接触后加入单宁酸制得。
优选的，所述步骤(2)的反应时间为6小时。
优选的，所述三羟甲基氨基甲烷、纤维素的用量比例为1:1000。
优选的，所述与单宁酸、腰果酚衍生硅氧烷与纤维素用量分别比例为1:4000和1:400。
本发明的方法首先将纤维素进行分散，制成悬浮液，使其能够充分与改性剂接触，然后利用单宁酸和疏水硅氧烷表面涂覆层，通过水解共沉积作用涂覆在纤维素表面。其中，疏水硅氧烷中大量的烷基长链赋予纤维素疏水性，这有效防止了纤维素与水溶液接触时发生结构坍塌，从而增强其油水分离能力。单宁酸表面大量的酚羟基被证明能够与重金属离子发生螯合作用，从而提高了纤维素气凝胶对重金属离子吸附性能。
因此，本发明的方法制备的具有重金属离子吸附和油水分离功能的纤维素气凝胶可用于含重金属离子或含油废水处理。
本发明的有益效果：提供了一种具有重金属离子吸附和油水分离功能的纤维素气凝胶制备方法，该方法得到的纤维素气凝胶具有快速吸附重金属离子和油水分离的功能；该方法得到的纤维素气凝胶利用全生物质改性剂，不会对被净化水体产生二次污染。
附图说明
图1显示了实施例1-4、对比例1-3制得的具有重金属离子吸附和油水分离功能的纤维素气凝胶对铜离子的吸附量和去除率(铜离子初始浓度为50mg/L，气凝胶添加量为0.2g，酸碱度值为5，吸附时间为3小时)。
图2显示了实施例1制得的具有重金属离子吸附和油水分离功能的纤维素气凝胶对不同油品或有机染料的吸附量。
具体实施方式
下述实施例用于更好地说明本发明内容。
以下实施例中所涉及的药品试剂可市购获得。
实施例1
按照以下步骤制备本发明的具有重金属离子吸附和油水分离功能的纤维素气凝胶：
(1)将45g质量分数为0.9％的纤维素溶液稀释至80g，超声分散20分钟，再加入0.1g三羟甲基氨基甲烷，搅拌30分钟，使其形成稳定的悬浮液；
(2)将0.2g腰果酚衍生硅氧烷中加入20mL无水乙醇，充分接触后，再加入0.02g单宁酸，反应制备成单宁酸和腰果酚衍生硅氧烷混合溶液；将所述单宁酸和腰果酚衍生硅氧烷混合溶液加入到步骤(1)所述悬浮液中，在常温下反应6小时，得到混合物；其中，腰果酚衍生硅氧烷为腰果酚甘油醚KH550(硅烷偶联剂)通过环氧开环，后处理而得；
(3)将步骤(2)所述混合物倒入模具中，并于-80℃冷冻干燥箱内冷冻干燥48小时，得到具有重金属离子吸附和油水分离双重功能的纤维素气凝胶标记为TA/CDA-0.2。
实施例2
制备步骤与实施例1基本相同，区别仅在于：腰果酚衍生硅氧烷添加量为0.4g。本实施例得到的具有重金属离子吸附和油水分离双重功能的纤维素气凝胶标记为TA/CDA-0.4。
实施例3
制备步骤与实施例1基本相同，区别仅在于：腰果酚衍生硅氧烷添加量为0.6g。本实施例得到的具有重金属离子吸附和油水分离双重功能的纤维素气凝胶标记为TA/CDA-0.6。
实施例4
制备步骤与实施例1基本相同，区别仅在于：腰果酚衍生硅氧烷添加量为0.9g。本实施例得到的具有重金属离子吸附和油水分离双重功能的纤维素气凝胶标记为TA/CDA-0.9。
对比例1
将45g质量分数为0.9％的纤维素溶液稀释至80g，超声20分钟使纤维素初步分散，再加入0.1g三羟甲基氨基甲烷，搅拌30分钟，使其形成稳定的悬浮液。将悬浮液倒入模具中，并于-80℃冷冻干燥箱内冷冻干燥48小时，得到对照组气凝胶，标记为CNF。
对比例2
制备步骤与对比例1基本相同，区别仅在于：在稀释后的纤维素悬浮液中加入0.02g单宁酸。本对比例得到的气凝胶标记为CNF-TA。
对比例3
制备步骤与对比例1基本相同，区别仅在于：在稀释后的纤维素悬浮液中加入0.2g腰果酚衍生硅氧烷。本对比例得到气凝胶标记为CNF-CDA。
分别对实施例1-4、对比例1-3得到的产物的吸附性能进行测试，测试方法为：将不同组分处理的气凝胶样品0.2g置于铜离子含量为50mg/L的100mL的模拟废水中，在室温条件(25℃)，酸碱度值为5，吸附时间为3小时的条件下进行铜离子吸附实验，静置后分别测试模拟废水中残留铜离子浓度。
图1(a)显示了实施例1-4、对比例1-3得到的产物对铜离子的吸附量，图1(b)显示了实施例1-4、对比例1-3得到的产物对铜离子的去除率。可以看出，实施例1-4得到的产物均具有重金属吸附性能。当腰果酚衍生硅氧烷添加量为0.2g，铜离子吸附量达到23.35mg/g，去除率达到93.4％。
对实施例1中得到的产物的油水分离能力进行测试，测试方法为：取柴油、真空泵油、正己烷、甲苯、氯仿各50mL于烧杯中，将制备好的气凝胶浸入以上液体油和有机溶剂中，直至样品完全饱和，镊子取出，用滤纸处理样品表面多余溶剂后，进行称重。图2(b)为油水分离示意图(油品采用苏丹Ⅲ染色)。
图2(a)显示了测试结果，可以看出，该气凝胶可快速吸附水体中的油品和有机染料(柴油、真空泵油、氯仿、正己烷等)，最大吸附量达到110.5g/g(氯仿)。
以上所述为本发明的一般性说明和优选实施方式，在本发明的基础上，可做出若干改进及润饰，在不偏离本发明原理的基础上所做的这些改进，均属于本发明所要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有重金属离子吸附和油水分离功能的纤维素气凝胶制备方法，包括以下步骤：
(1)将纤维素分散在水中，加入三羟甲基氨基甲烷，搅拌，使其形成悬浮液；
(2)在所述悬浮液中加入单宁酸和腰果酚衍生硅氧烷混合溶液，在10～40℃条件下反应，得到混合物；
(3)将所述混合物倒入模具中，冷冻干燥，得到具有重金属离子吸附和油水分离双重功能的纤维素基气凝胶。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维素的直径为5-20nm，长度为2-7μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单宁酸和腰果酚衍生硅氧烷混合溶液由腰果酚衍生硅氧烷与无水乙醇充分接触后加入单宁酸制得。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)的反应时间为6小时。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三羟甲基氨基甲烷、纤维素的用量比例为1:1000。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述与单宁酸、腰果酚衍生硅氧烷与纤维素用量分别比例为1:4000和1:400。
7.根据权利要求1-6所述的方法得到的具有重金属离子吸附和油水分离功能的纤维素气凝胶。
8.根据权利要求7所述的具有重金属离子吸附和油水分离功能的纤维素气凝胶的应用。
9.根据权利要求8所述的的应用，其特征在于，所述的具有重金属离子吸附和油水分离功能的纤维素气凝胶用于含重金属离子或含油废水处理。
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