CN113042005A - 一种蟹壳碱液活化法制备低成本壳聚糖-方解石复合吸附剂的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碱液活化法制备低成本壳聚糖‑方解石复合吸附剂的制备方法及其吸附水中抗生素的应用,属于废水处理技术领域。其步骤是将蟹壳通过清理、清洗、烘干、研磨等过程,得到蟹壳粉;再将蟹壳粉投入对应浓度的KOH溶液(0.05~1.95g/mL)中,控制热解温度(60~180℃)和活化时间(10~240min),通过碱液活化法对蟹壳粉进行改性处理,之后通过离心、分离、干燥即得甲壳素‑方解石复合吸附剂。其特点是涉及工艺流程简单,在常压下通过碱液活化法一步即可分离提取蟹壳中的甲壳素并转化为壳聚糖,进而生成壳聚糖‑方解石,处理条件温和,提取工艺简单,反应条件易于控制,同时还提供了将壳聚糖‑方解石复合吸附剂在去除水中常见抗生素环丙沙星的应用。
Description
技术领域
本发明属于废水处理技术领域,具体涉及一种蟹壳碱液活化法制备低成本壳聚糖-方解石复合吸附剂的制备方法及应用。
背景技术
自19世纪发现青霉素以来,抗生素的研究和适用得到了飞速发展,被广泛应用于预防或治疗微生物感染问题,在医学、畜牧养殖业以及水产养殖业发挥着重要作用。据不完全统计,截止2018年底,我国人均抗生素使用量达140g左右,作为抗生素生产技术更先进的美国,人均抗生素使用量仅为14g。目前,我国生产抗生素企业近300家,抗生素生产种类已达70多种,20%以上抗生素原料来自我国,据2007~2015年疾病调查分析数据,在全国总发病中,我国的感染性疾病达到48.6%,细菌感染性疾病则达到21.5%,即约80%属于滥用抗生素的范围,因滥用抗生素死亡的人数每年约八万人,我国成为过度使用抗生素最为严重的国家之一。人体不能完全利用的抗生素随生活污水进入污水处理厂,而多数污水处理厂不能高效处理含抗生素废水,迄今已在国内外的地表水、污水处理厂、海水、地下水以及饮用水中检测到微量的抗生素。大量含有抗生素的废水排放到环境中,破坏了正常水体平衡,对人类和其他动物的健康构成威胁。
环丙沙星是最常见的抗生素之一,是合成的第三代喹诺酮类抗菌药物,具有广谱抗菌活性,杀菌效果好,价格低,广泛应用于人畜疾病的治疗和预防中,而其本身不易降解,产生了大量含环丙沙星废水。排放到水体中的环丙沙星会使环境中的细菌等微生物产生抗性和耐药性。环丙沙星通过各种途径进入人和动物体内,会对生物中枢神经系统和消化系统等产生一定的危害。传统的处理水中抗生素的技术如光催化氧化法、化学氧化法、生物处理法、膜分离法和吸附法等已被广泛用于抗生素废水处理,其中吸附法因其处理效率高、操作简便且成本较低,成为抗生素废水处理较理想的方法。
据中国渔业统计年鉴(2018年)显示,我国国内渔业生产中鱼类产量3609.71万吨,甲壳类产量691.50万吨,其中蟹类(专指河蟹)产量75.09万吨。蟹壳有着独特的生物进化微结构,其主要无机成分是碳酸钙与甲壳素。另外,甲壳素在碱液活化作用下能够脱乙酰化转化成壳聚糖。但是目前蟹壳的利用有限,多数当作垃圾来进行处理,久而久之对环境具有潜在的危害,且产生资源的严重浪费。如果能够通过简单有效的转化方式实现对蟹壳中有效成分的利用,既可减少对环境的污染,又可实现资源的有效利用,实现绿色环保。
现有技术如授权公告号CN 106629977 B的中国发明专利,公开了一种EDTA-β-CD材料在吸附水溶液中环丙沙星方面的应用,该方案吸附材料具有优异的含环丙沙星废水处理效果,但原料采用化学试剂EDTA,制备工艺较复杂,吸附效果较差。
因此,本发明提供了一种制备工艺简单、处理效果优异、吸附性能优良的蟹壳碱液活化法制备低成本壳聚糖-方解石复合吸附剂的制备方法,既能够充分利用蟹壳优势,又能去除废水中的抗生素,应用绿色环保,前景广阔。
发明内容
本发明的目的是提供一种碱液活化法制备低成本壳聚糖-方解石复合吸附剂的方法,其制备的壳聚糖-方解石复合吸附剂,比表面积大、表面孔隙结构丰富,具有吸附容量大、吸附速率快的优点,有效提高了壳聚糖-方解石复合吸附剂对环丙沙星的吸附性能。
本发明的目的还在于提供一种原材料天然、成本低廉、不会产生二次污染、可被自然降解的壳聚糖-方解石复合吸附剂吸附抗生素的应用方法,该方法对环丙沙星吸附容量高,且吸附平衡的时间短。
为了达到上述目的,本发明提供了一种碱液活化法制备低成本壳聚糖-方解石复合吸附剂的方法,其包括以下步骤:
1)蟹壳前期处理:去除蟹壳内外表面的异物,用去离子水反复冲洗后,浸泡在乙醇溶液中,再多次用去离子水冲洗后烘干、磨碎、过筛,取100目以下粉末备用;
2)溶液配置:制备0.05~1.95mg/mL不同浓度的KOH溶液备用;
3)蟹壳粉改性处理:将1)得到的蟹壳粉加入到2)配置的KOH溶液中,控制热解温度和活化时间,经过加热搅拌对蟹壳粉进行混合改性;
4)取3)处理后的混合溶液,以去离子水为反相溶剂,进行离心、分离、干燥,即得到壳聚糖-方解石复合吸附剂。
进一步地,其中步骤1)和步骤4)中,所述的去离子水是由纯水机制备的超纯水。
进一步地,其中步骤2)中,所述的配置不同浓度的KOH溶液,也可以采用稀释高浓度溶液得到。
进一步地,其中步骤3)中,所述的投加的蟹壳粉的质量与对应KOH溶液体积为2g蟹壳粉投加到6mL KOH溶液中,亦可以确定好蟹壳粉与KOH的质量比,分别投加到6mL水中。
进一步地,其中步骤3)中,所述的控制热解温度为60~180℃。
进一步地,其中步骤3)中,所述的控制活化时间为10~240min。
进一步地,其中步骤4)中,所述的干燥条件为50℃,30~36h。
进一步地,其中所述低成本壳聚糖-方解石复合吸附剂是通过上述的方法的制得的。
为了达到上述目的,本发明还提供了一种上述壳聚糖-方解石吸附剂在含环丙沙星废水处理中的应用。
相比现有技术,本发明至少具有以下有益效果:
1.本发明的壳聚糖-方解石复合吸附剂比表面积大,孔径分布范围广,吸附容量大,吸附效率高。
2.与传统的光催化氧化法、化学氧化法、生物处理法、膜分离法以及使用不同吸附剂的吸附法相比,本发明利用水产废弃物蟹壳碱液活化法制备的壳聚糖-方解石复合吸附剂吸附废水中的抗生素,成本低廉,不会产生二次污染,能自然降解,具有一定的产业化应用前景。
3.本发明制备的壳聚糖-方解石复合吸附剂,不仅减轻了水产废弃物蟹壳对环境的污染,同时提供了利用蟹壳的新途径,提高了蟹壳的利用价值,实现了资源的有效利用,为生态环境保护做出了贡献。
附图说明
图1和图2是本发明壳聚糖-方解石复合吸附剂的SEM图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合较佳实施例,对依据本发明提出的一种蟹壳碱液活化法制备低成本壳聚糖-方解石复合吸附剂的制备方法及应用,其具体实施方式、结构、特征及其功效,详细说明如后。在下述说明中,不同的“一实施例”或“实施例”不一定是同一实施例。此外,一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
实施例1
本实施提供了一种蟹壳碱液活化法制备低成本壳聚糖-方解石复合吸附剂的方法,其包括以下步骤:
1)蟹壳前期处理:去除蟹壳内外表面的异物,用去离子水反复冲洗后,浸泡在乙醇溶液中,再多次用去离子水冲洗后烘干、磨碎、过100目筛;
2)溶液配置:制备0.05g/mL的KOH溶液备用;
3)蟹壳粉改性处理:取步骤1)过筛得到的蟹壳粉2g加入到6mL步骤2)配置的KOH溶液中,控制热解温度为120℃,活化时间为240min,放入磁力搅拌锅中对蟹壳粉加热搅拌进行混合改性;
4)取3)处理后的混合溶液,以去离子水为反相溶剂,进行离心、分离、干燥,即得到壳聚糖-方解石复合吸附剂;
5)使用本实施例所制备的壳聚糖-方解石吸附剂分别配制投加量为0.1、0.2、0.5、1、2和5g/L的中性溶液,用于处理含环丙沙星废水(浓度为300mg/L)时,最佳条件下吸附容量为150.00mg/g。
实施例2
本实施提供了一种蟹壳碱液活化法制备低成本壳聚糖-方解石复合吸附剂的方法,其包括以下步骤:
1)蟹壳前期处理:去除蟹壳内外表面的异物,用去离子水反复冲洗后,浸泡在乙醇溶液中,再多次用去离子水冲洗后烘干、磨碎、过100目筛;
2)溶液配置:制备1.00g/mL的KOH溶液备用;
3)蟹壳粉改性处理:取步骤1)过筛得到的蟹壳粉2g加入到6mL步骤2)配置的KOH溶液中,控制热解温度为120℃,活化时间为125min,放入磁力搅拌锅中对蟹壳粉加热搅拌进行混合改性;
4)取3)处理后的混合溶液,以去离子水为反相溶剂,进行离心、分离、干燥,即得到壳聚糖-方解石复合吸附剂;
5)使用本实施例所制备的壳聚糖-方解石复合吸附剂分别配制投加量为0.1、0.2、0.5、1、2和5g/L的中性溶液,用于处理含环丙沙星废水(浓度为300mg/L)时,最佳条件下吸附容量为365.00mg/g。
实施例3
本实施提供了一种蟹壳碱液活化法制备低成本壳聚糖-方解石复合吸附剂的方法,其包括以下步骤:
1)蟹壳前期处理:去除蟹壳内外表面的异物,用去离子水反复冲洗后,浸泡在乙醇溶液中,再多次用去离子水冲洗后烘干、磨碎、过100目筛;
2)溶液配置:制备1.95mg/mL的KOH溶液备用;
3)蟹壳粉改性处理:取步骤1)过筛得到的蟹壳粉2g加入到6mL步骤2)配置的KOH溶液中,控制热解温度为120℃,活化时间为10min,放入磁力搅拌锅中对蟹壳粉加热搅拌进行混合改性;
4)取3)处理后的混合溶液,以去离子水为反相溶剂,进行离心、分离、干燥,即得到壳聚糖-方解石复合吸附剂;
5)使用本实施例所制备的壳聚糖-方解石复合吸附剂分别配制投加量为0.1、0.2、0.5、1、2和5g/L的中性溶液,用于处理含环丙沙星废水(浓度为300mg/L)时,最佳条件下吸附容量为338.00mg/g。
实施例4
本实施提供了一种蟹壳碱液活化法制备低成本壳聚糖-方解石复合吸附剂的方法,其包括以下步骤:
1)蟹壳前期处理:去除蟹壳内外表面的异物,用去离子水反复冲洗后,浸泡在乙醇溶液中,再多次用去离子水冲洗后烘干、磨碎、过100目筛;
2)溶液配置:制备1.95mg/mL的KOH溶液备用;
3)蟹壳粉改性处理:取步骤1)过筛得到的蟹壳粉2g加入到6mL步骤2)配置的KOH溶液中,控制热解温度为60℃,活化时间为125min,放入磁力搅拌锅中对蟹壳粉加热搅拌进行混合改性;
4)取3)处理后的混合溶液,以去离子水为反相溶剂,进行离心、分离、干燥,即得到壳聚糖-方解石复合吸附剂;
5)使用本实施例所制备的壳聚糖-方解石复合吸附剂分别配制投加量为0.1、0.2、0.5、1、2和5g/L的中性溶液,用于处理含环丙沙星废水(浓度为300mg/L)时,最佳条件下吸附容量为288.00mg/g。
实施例5
本实施提供了一种蟹壳碱液活化法制备低成本壳聚糖-方解石复合吸附剂的方法,其包括以下步骤:
1)蟹壳前期处理:去除蟹壳内外表面的异物,用去离子水反复冲洗后,浸泡在乙醇溶液中,再多次用去离子水冲洗后烘干、磨碎、过100目筛;
2)溶液配置:制备0.05g/mL的KOH溶液备用;
3)蟹壳粉改性处理:取步骤1)过筛得到的蟹壳粉2g加入到6mL步骤2)配置的KOH溶液中,控制热解温度为60℃,活化时间为125min,经过加热搅拌对蟹壳粉进行混合改性;
4)取3)处理后的混合溶液,以去离子水为反相溶剂,进行离心、分离、干燥,即得到壳聚糖-方解石复合吸附剂;
5)使用本实施例所制备的壳聚糖-方解石复合吸附剂分别配制投加量为0.1、0.2、0.5、1、2和5g/L的中性溶液,用于处理含环丙沙星废水(浓度为300mg/L)时,最佳条件下吸附容量为164.00mg/g。
综上所述,本发明用于蟹壳碱液活化法制备低成本壳聚糖-方解石复合吸附剂。由于壳聚糖-方解石复合吸附剂微孔能够与环丙沙星结合,另外,在原溶液的pH条件下,壳聚糖-方解石复合吸附剂与环丙沙星之间还存在着静电吸引作用,因此将此材料应用于去除环丙沙星时,拥有吸附平衡时间短,吸附性能优越等优点,实施例中得到的最大吸附容量达到了365.00mg/g。
以上所述是本发明的实施方式的举例,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变型,这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种通过碱液活化法处理低成本蟹壳制备壳聚糖-方解石复合吸附剂的方法,包括以下步骤:1)将蟹壳通过清理、清洗、烘干、研磨等过程,得到蟹壳粉;2)制备碱液KOH溶液,其浓度为0.05~1.95g/mL;3)将蟹壳粉投入到KOH溶液中,控制热解温度(60~180℃)和活化时间(10~240min),通过加热搅拌反应对蟹壳粉进行改性处理;4)反应后的产物以去离子水为反相溶剂,通过离心、分离、干燥得到壳聚糖-方解石复合吸附剂。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述投加的蟹壳粉的质量与KOH溶液的比例关系为2g蟹壳粉对应投加6mL KOH溶液。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述KOH的浓度为每毫升的水中含有0.05~1.95g KOH。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述KOH溶液的浓度为0.05~1.95mg/mL。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述改性过程中的热解温度控制在60~180℃。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述改性过程中的活化时间控制在10~240min。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述反应后分离干燥条件为50℃,30~36h。
8.根据权利要求1所述的壳聚糖-方解石吸附材料的应用,其特征在于:向含环丙沙星的溶液中加入一定量的壳聚糖-方解石复合吸附剂,在温度为20~50℃的恒温振荡器中,振荡反应5~24h,吸附去除溶液中抗生素,吸附剂和抗生素的质量比为1:(0.02~2)。
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PB01 | Publication | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20210629 |