CN115400735A - 废弃羽毛制备的蜂窝状凝胶材料及其制备方法和去除有机染料的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了废弃羽毛制备的蜂窝状凝胶材料及其制备方法和去除有机染料的应用。将废弃鸭毛清洗烘干，使用羽毛膨化机膨化鸭毛粉；将膨化鸭毛粉置于水中形成悬浊液，将鸭毛粉分散；将悬浊液加热得到蜂窝状水凝胶材料；蜂窝状水凝胶材料再经冷冻干燥得到蜂窝状凝胶材料。本发明使用废弃鸭毛和角蛋白为自然界天然高分子，资源丰富，无毒且可降解，为废弃资源重复利用，既降低了成本又保护了生态环境。本发明的蜂窝状凝胶材料采用的是一步合成法，工艺简单，节约了能源。本发明实现了对染料废水CR的吸附去除，对刚果红的最大吸附容量可达2269mg/g。
Description
技术领域：
本发明属于天然高分子凝胶材料制备领域，具体涉及废弃羽毛制备的蜂窝状凝胶材料及其制备方法和去除有机染料的应用。
背景技术：
染料主要是带有显色基团和极性基团的有机物，以芳香族和杂环化合物为主体。染料废水具有色度高、污染物浓度大、难降解等特点，对环境造成了极大的污染。随着印染业的发展，染料数量和种类不断增加，对环境的污染日趋严重。将带有染料的废水排放到河流中，会直接降低水体的透光度，不仅影响植物的光合作用，而且会破坏水中的生态平衡，进而影响水生微生物种群，导致生态失调。
染料废水主要含有刚果红(CR)、罗丹明B、甲基蓝和茜素红等有机染料，具有降解难、毒性大、处理难等特点。其中，CR是一种偶氮类大分子有机染料，在厌氧下可分解成芳香胺，易对生命体造成突变和癌症。目前对染料废水处理的方法主要有絮凝沉淀法、化学氧化法、生物法和吸附法等。其中，吸附法是降低废水中有机染料快速有效的方法之一，该方法是使用吸附材料去除废水中有机染料，且不会引入新的污染物，因而受到广泛关注。常用的吸附材料可分为天然吸附剂、合成吸附剂和复合型吸附，它们在结构、功能基团及吸附应用中表现出不同的优势。近年来，使用天然生物质制备的吸附材料越来越受到关注，天然生物质的引入不仅可以改变水凝胶的化学结构，而且可以提高它的吸附性能。而羽毛作为禽类养殖业的副产物，它是富含角蛋白的天然生物质，所含有的羧基基团和氨基基团使其制备的材料具有好的吸附性能，且具有很好的生物相容性、可降解性、可再生性。因此利用羽毛这类天然生物质为原料生产吸附材料不仅能减少环境污染，同时也能产生极大的经济效益。
发明内容
本发明的目的是提供一种环保的、可降解的全生物质的蜂窝状凝胶材料及其制备方法，及其对染料废水中刚果红的去除研究。本发明的蜂窝状凝胶材料以天然的廉价废弃鸭毛为原料，而且本发明的制备方法简单、生产周期短，成本低。
本发明是通过如下所述的技术方案实现的：
本发明提供了一种废弃羽毛制备的蜂窝状凝胶材料的制备方法，其包括以下步骤：
将废弃鸭毛清洗烘干，使用羽毛膨化机膨化鸭毛粉；将膨化鸭毛粉置于水中形成悬浊液，将鸭毛粉分散；将悬浊液加热得到蜂窝状水凝胶材料；蜂窝状水凝胶材料再经冷冻干燥得到蜂窝状凝胶材料。
优选，所述的膨化是在350℃条件下膨化。
优选，所述的分散是用超声波分散。
优选，所述的膨化鸭毛粉经过150目标准筛后再使用。
优选，所述的膨化鸭毛粉和水的用量质量比是5：100-120。
优选，所述的加热是121℃加热30分钟后。
优选，所述的冷冻干燥是放置冷冻干燥机冷冻干燥24小时。
本发明还提供了上述蜂窝状凝胶材料在去除染料废水中的有机染料中的应用。
优选，所述的有机染料是刚果红。
本发明的效果和优点：
(1)本发明使用废弃鸭毛和角蛋白为自然界天然高分子，资源丰富，无毒且可降解，为废弃资源重复利用，既降低了成本又保护了生态环境。(2)本发明的蜂窝状凝胶材料采用的是一步合成法，工艺简单，节约了能源。(3)本发明实现了对染料废水CR的吸附去除，对刚果红的最大吸附容量可达2269mg/g。
附图说明
图1为实施例1蜂窝状凝胶材料的实物图，a：湿凝胶；b：冷冻干燥后的凝胶材料。
图2为实施例1凝胶材料吸附CR的路线和机理图。
图3为实施例1凝胶材料的红外谱图。
图4是凝胶材料吸附CR后SEM谱图和元素分析图(凝胶材料的吸附条件：CR的初始浓度为300mg/L，吸附剂的用量为100mg，吸附时间为48小时，反应温度为30℃)。
图5是刚果红溶液吸光度-浓度标准曲线。
图6为实施例1凝胶材料对CR吸附等温线。
图7为实施例1凝胶材料的用量对CR褪色率的影响。
图8为pH对CR去除的影响。
图9为时间对CR去除的影响。
图10为温度对CR去除的影响。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：
1、将废弃鸭毛清洗烘干，使用羽毛膨化机，350℃条件下得到膨化鸭毛粉。
2、将膨化鸭毛粉过150目标准筛。
3、将5.0g膨化鸭毛粉置于120g去离子水溶液中形成一种悬浊液，将其超声分散。
4、将3中悬浊液置于灭菌锅内，121℃加热30分钟后得到蜂窝状水凝胶材料。
5、将此水凝胶材料切割成体积相似的小块(图1中的a)放置冷冻干燥机冷冻干燥24小时，得到蜂窝状凝胶材料(图1中的b)，图3是蜂窝状凝胶材料的红外图谱。
6、去除率的计算：CR的最大吸收波长为494nm，配制不同浓度的CR水溶液用722型可见分光光度计测出不同浓度CR的吸光度，绘制刚果红溶液的吸光度-浓度标准曲线(图5)，线性回归后得到方程:y＝0.009x。测出各样品的吸光度由该方程式求出样品浓度，将求得浓度代入公式：褪色率＝(C0－Ct)/C0×100％，求出CR褪色率。式中：C0为反应前溶液中染料的浓度(mg/L)；Ct为反应后溶液中染料的浓度(mg/L)。
7、图2是蜂窝状凝胶材料吸附CR的路线和机理图，具体是将蜂窝状凝胶材料吸附刚果红在250mL三角瓶中进行，除了探究CR溶液(100mL)的初始浓度(20-7000mg/L)、吸附剂用量(0.02-0.40g)，还探究了时间(15-2880min)、pH值(5.0-10.0)和吸附环境温度(30-80℃)等对材料吸附性能的影响。剧烈震荡一定时间。达到吸附平衡后，取样过滤除去吸附剂。滤液用UV 2600i型可见分光光度计在λmax＝494nm测量吸光度。
8、将7中所获得的数据用于计算蜂窝状凝胶材料吸附容量，Qt(mg/g)，是一个质量平衡关系——代表单位凝胶材料吸附染料的量，计算方法为：吸附容量Qt＝(C0-Ct)V/W，式中C0为t＝0时溶液中所含染料的浓度(mg/L)，Ct为t＝t时刻溶液中所含染料的浓度(mg/L)，V为溶液的体积(dm3)，W为所使用的吸附剂的干重量(g)。
9、图6是蜂窝状凝胶材料对CR的吸附等温线。初始浓度的变化是在凝胶材料为100mg，温度为30℃，反应时间为48h的条件下进行比较。结果表明，吸附容量随着染料初始浓度的增加而增加。CR的初始浓度为7000mg/L时凝胶材料达到最大吸附容量2269mg/g，表明蜂窝状凝胶材料是去除染料废水中CR的有效吸附剂。
10、吸附剂蜂窝状凝胶材料用量变化的影响在CR的初始浓度为50mg/L，温度为30℃，反应时间为48h的条件下进行比较。结果如图7。明显地，吸附剂用量从20mg到60mg时褪色率急剧提高。此后，再增加吸附剂的用量，褪色率几乎没有变化。100mg的蜂窝状凝胶材料对CR室温下搅拌24小时褪色率达到92.66％。
11、溶液pH对蜂窝状凝胶材料吸附CR的影响是在CR的初始浓度为50mg/L，凝胶材料为100mg，温度为30℃，反应时间为48h的条件下进行研究，结果如图8。很明显，溶液pH严重影响凝胶材料对CR的吸附。pH在5到8的范围内，溶液pH对CR的褪色率都没有太大的变化。随着pH增加去除率有所下降。
12、吸附时间对CR去除率的影响是在CR初始浓度50mg/L，吸附剂蜂窝状凝胶材料用量为100mg，温度为30℃的条件下进行讨论的，结果如图9，由图可见，CR在15min内迅速褪色，此后随时间的变化，褪色率缓慢增加，此后24小时后，褪色率不再发生变化。
13、温度对蜂窝状凝胶材料吸附去除CR的影响是在CR初始浓度为50mg/L下进行研究，吸附剂用量为100mg，反应时间为48h，温度30℃到80℃的范围内进行讨论的，结果如图10。由图10可见当温度高于50℃，凝胶材料吸附CR的性能变得较差。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种废弃羽毛制备的蜂窝状凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将废弃鸭毛清洗烘干，使用羽毛膨化机膨化鸭毛粉；将膨化鸭毛粉置于水中形成悬浊液，将鸭毛粉分散；将悬浊液加热得到蜂窝状水凝胶材料；蜂窝状水凝胶材料再经冷冻干燥得到蜂窝状凝胶材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的膨化是在350℃条件下膨化。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的分散是用超声波分散。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的膨化鸭毛粉经过150目标准筛后再使用。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的膨化鸭毛粉和水的用量质量比是5：100-120。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的加热是121℃加热30分钟。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的冷冻干燥是放置冷冻干燥机冷冻干燥24小时。
8.一种按照权利要求1-7任一项制备方法制备得到的蜂窝状凝胶材料。
9.权利要求8所述的蜂窝状凝胶材料在去除染料废水中的有机染料中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述的有机染料是刚果红。
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