CN114307963A - 一种基于废旧棉织品的改性活性炭纤维及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明以来源广泛、价格低廉的废旧棉织品为原料，制备一种Fe/Zn纳米颗粒改性活性炭纤维，并将该改性活性炭纤维应用于吸附降解水体中的环丙沙星抗生素。本发明可提高废旧棉织品的回收再利用率，本发明利用ZnCl2溶液浸渍预处理废旧棉织品后再碳化活化，可提高活性炭纤维的比表面积；并通过同时提高活性炭纤维比表面积和特定化学活性点，在应用于吸附降解环丙沙星抗生素时，可明显提高其吸附降解效果。本发明的制备方法具有操作简单、环境友好、耗能低等优点，Fe/Zn改性活性炭纤维应用于环丙沙星抗生素吸附降解的条件温和、耗时短、效果优异，可实现大规模应用，实现“以废治废”。

Description

一种基于废旧棉织品的改性活性炭纤维及应用
技术领域
本发明涉及活性炭纤维及水处理技术领域，具体涉及一种基于废旧棉织品的改性Fe/Zn活性炭纤维，以及在吸附降解水体中环丙沙星抗生素的应用。
背景技术
棉织品是人们生活中的必须品，随着生活方式和水平的提高，人们对棉织品的需求量越来越大。然而，随之而来的一个问题就是废旧棉织品的数量也越来越大。据不完全统计，产生废旧棉织品的数量平均约为10 kg/家庭。废旧棉织品大部分被丢弃当作垃圾填埋或焚烧处理，目前仅有少数的企业和机构对废旧棉织品进行回收利用，且回收的废旧棉织品主要用来捐赠给贫困地区或用作生产纺织品的原料。因此，废旧棉织品的回收再利用有很大的提升空间和重要的可持续发展意义。
活性炭纤维（ACF）因微孔结构丰富，比表面积大，化学稳定性高和无毒性等优点被广泛应用于水处理、空气净化、食品脱色和药物分离等领域。当前制备活性炭纤维的原料主要包括纤维素、酚醛、腈纶和沥青等基材原料。废旧棉织品中纤维素含量较高，且来源广泛、成本低廉，是一种优异的纤维素基活性炭纤维制备原料。目前高吸附性能活性炭纤维素的制备主要依靠化学法活化，包括氯化锌、磷酸、碱金属氢氧化物（KOH、NaOH）等作为活化剂。其中氯化锌、磷酸活化得到的活性炭纤维素比表面积相对较低，碱金属氢氧化物活化可得到较高的比表面积，但在高温活化时会产生单质碱金属，容易对设备仪器腐蚀，存在严重的生产安全隐患。
抗生素因具有的高效光谱、口服活性、完全的交叉抗性等优点，被广泛用于治疗人体、疾病、预防畜禽、水产品的细菌性病害等行业。然而，残留抗生素的数量也随之越来越大，对生态系统和人类健康造成严重影响。因此，急需一种快速、有效的方法来降解掉水体中残留的抗生素。
发明内容
本发明的目的是设计一种基于废旧棉织品的改性活性炭纤维，该改性活性炭纤维负载Fe/Zn纳米颗粒，且具有较高的比表面积；本发明的另一目的是将该改性活性炭纤维应用于吸附降解水体中的环丙沙星抗生素，提高对水体中环丙沙星抗生素的吸附降解效果。
为实现本发明的目的，采用以下技术方案：
一种基于废旧棉织品的改性活性炭纤维，其特征在于，所述的改性活性炭纤维负载Fe/Zn纳米颗粒，具体包括以下制备步骤：一、将预处理后的废旧棉织品浸渍到2 mol/L的ZnCl2溶液中搅拌6~12 h后，过滤取固体置于120~200 ℃烘箱中干燥5 h；二、将步骤一得到的样品浸渍于混合金属盐溶液中搅拌5 h后，逐滴加入2 mol/L的NaOH调节pH=11，静置2 h后抽滤水洗至中性；三、将步骤二的样品置于惰性气氛管式炉中升温至300~400 ℃保温1~2h后继续升温至700~900 ℃保温1~2 h，自然冷却后得到改性活性炭纤维。
所述的废旧棉织品预处理方法为：将废旧棉织品用粉碎机粉碎后置于50 ℃蒸馏水中浸泡24 h，过滤干燥后置于50 ℃ 2 mol/L的NaOH溶液中浸泡2 h，过滤水洗至中性后烘干。
所述的混合金属盐溶液为Fe3+和Zn2+的可溶性氯化盐、硝酸盐和硫酸盐，Fe3+和Zn2+摩尔比为1:2。
本发明还涉及所述的改性活性炭纤维的应用，其特征在于，以所述改性活性炭纤维为吸附剂，对含环丙沙星抗生素水体中的环丙沙星进行吸附降解去除。
所述的环丙沙星抗生素的初始浓度为0.1~1 g/L，水体pH为3~11，水体温度为25~45 ℃。
本发明的有益效果：
1）本发明以废旧棉织品为原料，来源广泛、价格低廉，可提高废旧棉织品的回收再利用率；2）本发明利用ZnCl2溶液浸渍预处理废旧棉织品后再碳化活化，可提高活性炭纤维的比表面积；利用Fe/Zn改性活性炭纤维增加吸附剂化学活性点；3）通过同时提高活性炭纤维比表面积和特定化学活性点，在应用于吸附降解环丙沙星抗生素时，可明显提高其吸附降解效果；4）本发明的制备方法具有操作简单、环境友好、耗能低等优点，Fe/Zn改性活性炭纤维应用于环丙沙星抗生素吸附降解的条件温和、耗时短、效果优异，可实现大规模应用，实现“以废治废”。
具体实施方式
下面是结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
1）将5g废旧棉织品用粉碎机粉碎后置于50 ℃蒸馏水中浸泡24 h，过滤干燥后置于50 ℃ 2 mol/L的NaOH溶液中浸泡2 h，过滤水洗至中性后烘干；
2）将预处理后的废旧棉织品浸渍到2 mol/L的ZnCl2溶液中搅拌12 h后，过滤取固体置于150 ℃烘箱中干燥5 h；
3）将2）得到的样品浸渍于2 mol/L的FeCl3和4 mol/L的ZnCl2混合金属盐溶液中搅拌5 h后，逐滴加入2 mol/L的NaOH调节pH=11，静置2 h后抽滤水洗至中性；
4）将3）的样品置于惰性气氛管式炉中升温至300℃保温2 h后继续升温至900 ℃保温2 h，自然冷却后得到改性Fe/Zn活性炭纤维。
实施例1得到的改性活性炭纤维的比表面积大于2000 m2/g，将改性活性炭纤维吸附降解水体中的环丙沙星抗生素，在环丙沙星抗生素的初始浓度为0.5 g/L，水体pH为5，水体温度为25 ℃的条件下，环丙沙星抗生素的吸附量为482 mg/g。
实施例2
1）将5g废旧棉织品用粉碎机粉碎后置于50 ℃蒸馏水中浸泡24 h，过滤干燥后置于50 ℃ 2 mol/L的NaOH溶液中浸泡2 h，过滤水洗至中性后烘干；
2）将预处理后的废旧棉织品浸渍到2 mol/L的ZnCl2溶液中搅拌6 h后，过滤取固体置于200 ℃烘箱中干燥5 h；
3）将2）得到的样品浸渍于2 mol/L的Fe(NO3)3和4 mol/L的Zn(NO3)2混合金属盐溶液中搅拌5 h后，逐滴加入2 mol/L的NaOH调节pH=11，静置2 h后抽滤水洗至中性；
4）将3）的样品置于惰性气氛管式炉中升温至400℃保温1 h后继续升温至700 ℃保温1 h，自然冷却后得到改性活性炭纤维。
实施例2得到的改性活性炭纤维的比表面积大于2000 m2/g，将改性活性炭纤维吸附降解水体中的环丙沙星抗生素，在环丙沙星抗生素的初始浓度为0.1 g/L，水体pH为3，水体温度为35 ℃的条件下，环丙沙星抗生素的吸附量为71 mg/g。
实施例3
1）将5g废旧棉织品用粉碎机粉碎后置于50 ℃蒸馏水中浸泡24 h，过滤干燥后置于50 ℃ 2 mol/L的NaOH溶液中浸泡2 h，过滤水洗至中性后烘干；
2）将预处理后的废旧棉织品浸渍到2 mol/L的ZnCl2溶液中搅拌12 h后，过滤取固体置于120 ℃烘箱中干燥5 h；
3）将2）得到的样品浸渍于2 mol/L的Fe2(SO4)3和4 mol/L的ZnSO4混合金属盐溶液中搅拌5 h后，逐滴加入2 mol/L的NaOH调节pH=11，静置2 h后抽滤水洗至中性；
4）将3）的样品置于惰性气氛管式炉中升温至350℃保温2 h后继续升温至900 ℃保温1 h，自然冷却后得到改性Fe/Zn活性炭纤维。
实施例3得到的改性活性炭纤维的比表面积大于2000 m2/g，将改性活性炭纤维吸附降解水体中的环丙沙星抗生素，在环丙沙星抗生素的初始浓度为0.8 g/L，水体pH为11，水体温度为45 ℃的条件下，环丙沙星抗生素的吸附量为495 mg/g。
实施例4
1）将5g废旧棉织品用粉碎机粉碎后置于50 ℃蒸馏水中浸泡24 h，过滤干燥后置于50 ℃ 2 mol/L的NaOH溶液中浸泡2 h，过滤水洗至中性后烘干；
2）将预处理后的废旧棉织品浸渍到2 mol/L的ZnCl2溶液中搅拌8 h后，过滤取固体置于180 ℃烘箱中干燥5 h；
3）将2）得到的样品浸渍于2 mol/L的Fe2(SO4)3和4 mol/L的ZnSO4混合金属盐溶液中搅拌5 h后，逐滴加入2 mol/L的NaOH调节pH=11，静置2 h后抽滤水洗至中性；
4）将3）的样品置于惰性气氛管式炉中升温至400℃保温1 h后继续升温至800 ℃保温1.5 h，自然冷却后得到改性Fe/Zn活性炭纤维。
实施例4得到的改性活性炭纤维的比表面积大于2000 m2/g，将改性活性炭纤维吸附降解水体中的环丙沙星抗生素，在环丙沙星抗生素的初始浓度为1 g/L，水体pH为3，水体温度为25 ℃的条件下，环丙沙星抗生素的吸附量为478 mg/g。
对比例1
对比例1与实施例1的不同点是预处理后的废旧棉织品没有浸渍ZnCl2溶液，其他条件与实施例1相同，具体步骤为:
1）将5g废旧棉织品用粉碎机粉碎后置于50 ℃蒸馏水中浸泡24 h，过滤干燥后置于50 ℃ 2 mol/L的NaOH溶液中浸泡2 h，过滤水洗至中性后烘干；
2）将1）得到的样品浸渍于2 mol/L的FeCl3和4 mol/L的ZnCl2混合金属盐溶液中搅拌5 h后，逐滴加入2 mol/L的NaOH调节pH=11，静置2 h后抽滤水洗至中性；
3）将2）的样品置于惰性气氛管式炉中升温至300℃保温2 h后继续升温至900 ℃保温2 h，自然冷却后得到改性Fe/Zn活性炭纤维。
对比例1得到的改性活性炭纤维的比表面积约为1100 m2/g，将改性活性炭纤维吸附降解水体中的环丙沙星抗生素，在环丙沙星抗生素的初始浓度为0.5 g/L，水体pH为5，水体温度为25 ℃的条件下，环丙沙星抗生素的吸附量为315 mg/g。
对比例2
对比例2与实施例1的不同点是废旧棉织品没有浸渍混合金属盐溶液，其他条件与实施例1相同，具体步骤为:
1）将5g废旧棉织品用粉碎机粉碎后置于50 ℃蒸馏水中浸泡24 h，过滤干燥后置于50 ℃ 2 mol/L的NaOH溶液中浸泡2 h，过滤水洗至中性后烘干；
2）将预处理后的废旧棉织品浸渍到2 mol/L的ZnCl2溶液中搅拌12 h后，过滤取固体置于150 ℃烘箱中干燥5 h；
3）将2）的样品置于惰性气氛管式炉中升温至300℃保温2 h后继续升温至900 ℃保温2 h，自然冷却后得到改性活性炭纤维。
对比例2得到的改性活性炭纤维的比表面积约为1400 m2/g，将改性活性炭纤维吸附降解水体中的环丙沙星抗生素，在环丙沙星抗生素的初始浓度为0.5 g/L，水体pH为5，水体温度为25 ℃的条件下，环丙沙星抗生素的吸附量为280 mg/g。

Claims (5)

1.一种基于废旧棉织品的改性活性炭纤维，其特征在于，所述的改性活性炭纤维负载Fe/Zn纳米颗粒，具体包括以下制备步骤：一、将预处理后的废旧棉织品浸渍到2 mol/L的ZnCl2溶液中搅拌6~12 h后，过滤取固体置于120~200 ℃烘箱中干燥5 h；二、将步骤一得到的样品浸渍于混合金属盐溶液中搅拌5 h后，逐滴加入2 mol/L的NaOH调节pH=11，静置2 h后抽滤水洗至中性；三、将步骤二的样品置于惰性气氛管式炉中升温至300~400 ℃保温1~2h后继续升温至700~900 ℃保温1~2 h，自然冷却后得到改性活性炭纤维。
2.根据权利要求1所述的预处理后的废旧棉织品，其特征在于，所述的预处理方法为：将废旧棉织品用粉碎机粉碎后置于50 ℃蒸馏水中浸泡24 h，过滤干燥后置于50 ℃ 2mol/L的NaOH溶液中浸泡2 h，过滤水洗至中性后烘干。
3.根据权利要求1所述的混合金属盐溶液，其特征在于，所述混合金属盐溶液为Fe3+和Zn2+的可溶性氯化盐、硝酸盐和硫酸盐，Fe3+和Zn2+摩尔比为1:2。
4.一种根据权利要求1所述的改性活性炭纤维的应用，其特征在于，以所述改性活性炭纤维为吸附剂，对含环丙沙星抗生素水体中的环丙沙星进行吸附降解去除。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述环丙沙星抗生素的初始浓度为0.1~1g/L，水体pH为3~11，水体温度为25~45 ℃。
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