CN203508037U - 一种吸附重金属离子的复合水凝胶滤饼 - Google Patents
一种吸附重金属离子的复合水凝胶滤饼 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及智能高分子材料领域，具体涉及一种吸附重金属离子的复合水凝胶滤饼。该复合水凝胶滤饼包括底层支撑网、水凝胶滤层和凹凸棒土凸起三部分，所述底层支撑网为陶瓷网支撑体；所述水凝胶滤层由丙烯酰胺单体聚合而成；所述凹凸棒土凸起为圆柱体、立方体或其他不规则形状，凹凸棒土凸起经单宁酸预处理后随机分布在水凝胶基体层表面。本实用新型制备方法简单、不需要特殊设备、生产成本低、适于工业化应用；采用单宁酸对凹凸棒土进行预处理，与常规聚丙烯酰胺水凝胶相比，吸附强度有大幅度提升；制备得到的复合水凝胶滤饼使用方法简单，采用常压过滤或水泵抽滤均可实现有效去除水中重金属离子的目标。
Description
技术领域
本实用新型涉及智能高分子材料领域，具体涉及一种对镍、铬、铅等重金属离子具有良好吸附功能的复合水凝胶滤饼。
背景技术
随着化学工业、冶金工业等的快速发展，来自电解液、电镀液以及采矿、金属冶炼过程中产生的含有镍、铬、铅等重金属离子的废水污染正日趋严重，重金属废水污染已成为严重的环境问题和社会问题，急需解决。
近年来，无机材料对重金属离子的吸附性能越来越受到研究学者的关注，多数无机矿物质材料造价低并且对重金属离子的吸附性能明显，在重金属离子吸附方面尤为引人注意，其中凹凸棒土是最具典型的一种。
凹凸棒土(又称坡缕石)是一种天然非金属矿物质材料，是一种具有链层状结构的含水富镁硅酸盐粘土矿物，典型化学式为Si8Mg6O2O(OH)2(OH2)4·4H2O，结构属2：1型粘土矿物，在每个2：1单位结构层中，四面体晶片角顶隔一定距离方向颠倒，形成层链状。在四面体条带间形成与链平行的通道，通道中充填沸石水和结晶水。凹凸棒土纤维结构一般包括三个层次：①基本结构单元为微棒状或纤维状单晶体，简称棒晶。②由单晶平行聚集而成的单晶束。③由晶束(包括棒晶)相互堆积而成的聚集体。凹凸棒土的特殊结构使其具有很大的比表面积，物理吸附能力很强；另一方面，凹凸棒土带有层面负电荷，在层间吸附了具有可交换性的阳离子以使电荷平衡，这样凹凸棒土就具有了较强的离子吸附交换能力。
凹凸棒土在水中有很好的悬浮性，因此尽管凹凸棒土有很好的吸附能力，但对于水处理领域来说，粉末状的凹凸棒土无法直接投入水中使用，需要采取一定的方法进行处理。目前，较好的处理方法是采用一定的载体固载凹凸棒土，再投入水中使用。但是，现有技术中存在固载凹凸棒土复合水凝胶吸附重金属离子的效率低、吸附量小，凝胶吸附重金属离子后清洗困难的缺陷，因此，如何进一步对凹凸棒土进行改性处理，以提高其对重金属离子的吸附能力并实现凝胶的反复使用成为水处理领域的研究热点。
实用新型内容
针对现有凹凸棒土复合水凝胶应用于重金属离子吸附方面存在的不足，本实用新型拟解决的技术问题是提供一种对镍、铬、铅等重金属离子具有良好吸附能力且吸附量大、吸附效率高、可清洗后重复使用的复合水凝胶滤饼。
本实用新型复合水凝胶滤饼包括底层支撑网、水凝胶滤层和凹凸棒土凸起三部分，所述底层支撑网为陶瓷网支撑体；所述水凝胶滤层由丙烯酰胺单体聚合而成；所述凹凸棒土凸起为圆柱体、立方体或其他不规则形状，凹凸棒土凸起经单宁酸预处理后随机分布在水凝胶基体层表面。
本实用新型所述吸附重金属离子的复合水凝胶滤饼的制备方法包括如下步骤：
(1)凹凸棒土的预处理。称取10g～20g粒径300目～1000目的凹凸棒土，用1L蒸馏水洗涤，沉淀取其上层清液，500rpm离心1min后取其上层清液，上层清液中加少量蒸馏水混合均匀后继续500rpm离心1min，然后取其上层清液，如此反复洗涤上层清液3～5次后，最后用4000rpm进行离心分离，取其沉淀，90℃下真空干燥24h，研磨后按粒径大小选择对应目数的筛子过筛，得纯化凹凸棒土。
配置浓度为0.5mol／L～3mol／L的盐酸溶液，取10g～20g纯化凹凸棒土与150mL～200mL盐酸溶液加入到小烧杯中搅拌混合，5min后，将混合物加热到70℃～80℃，搅拌1h～2h，然后超声振荡30min～40min，抽滤，用蒸馏水洗涤至pH约为6左右，90℃下真空干燥24h，研磨后按粒径大小选择对应目数的筛子过筛，得酸改性凹凸棒土。
取1g～3g酸改性凹凸棒土，加入200mL～250mL浓度2000mg／L的单宁酸溶液，室温搅拌2h～3h后乙醇洗至上清液与FeCl3溶液无显色反应，离心分离，干燥研磨，按粒径大小选择对应目数的筛子过筛，得到单宁酸改性凹凸棒土。
(2)制备复合水凝胶滤饼。称取一定量丙烯酰胺(AAm)用20ml蒸馏水溶解配成溶液，使溶液浓度控制在1mol／L～3mol／L；向溶液中加入一定量的单宁酸改性凹凸棒土，控制凹凸棒土与AAm的质量比为5：1～15：1。向混合溶液中加入0.04mol／L～0.12mol／L的MBAA作交联剂，溶解搅拌均匀后通氮气20分钟以上，再加入0.005mol／L～0.015mol／L的过硫酸铵作引发剂，搅拌溶解，继续通氮气30分钟以上后，将溶液倒入圆柱形模具中，模具底部设有陶瓷网支撑体，将模具放入65～75℃恒温环境中，使其凝胶反应12～24小时，即得聚丙烯酰胺复合水凝胶滤饼；
(3)复合水凝胶滤饼后处理。将所得的复合水凝胶滤饼用蒸馏水浸泡3～5天，以除去未反应的小分子单体，即得本发明所述的复合水凝胶滤饼。
有益效果：
本实用新型所制备的凝胶滤层采用常规的水凝胶单体原料丙烯酰胺，制备方法简单、不需要特殊设备、生产成本低、适于工业化应用；采用单宁酸对凹凸棒土进行预处理，与常规聚丙烯酰胺水凝胶相比，吸附强度有大幅度提升；制备得到的复合水凝胶滤饼使用方法简单，采用常压过滤或水泵抽滤均可实现有效去除水中重金属离子的目标。
附图说明：
图1为复合水凝胶滤饼结构示意图
图中所示标记为：1—底层支撑网；2—水凝胶滤层；3—凹凸棒土凸起
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型。
实施例1：
(1)凹凸棒土的预处理。称取10g粒径300目的凹凸棒土，用1L蒸馏水洗涤，沉淀取其上层清液，500rpm离心1min后取其上层清液，上层清液中加少量蒸馏水混合均匀后继续500rpm离心1min，然后取其上层清液，如此反复洗涤上层清液3次后，最后用4000rpm进行离心分离，取其沉淀，90℃下真空干燥24h，研磨后按粒径大小选择对应目数的筛子过筛，得纯化凹凸棒土。
配置浓度为0.5mol／L的盐酸溶液，取10g纯化凹凸棒土与150mL盐酸溶液加入到小烧杯中搅拌混合，5min后，将混合物加热到70℃，搅拌1h，然后超声振荡30min，抽滤，用蒸馏水洗涤至pH约为6左右，90℃下真空干燥24h，研磨后按粒径大小选择对应目数的筛子过筛，得酸改性凹凸棒土。
取1g酸改性凹凸棒土，加入200mL浓度2000mg／L的单宁酸溶液，室温搅拌2h后乙醇洗至上清液与FeCl3溶液无显色反应，离心分离，干燥研磨，按粒径大小选择对应目数的筛子过筛，得到单宁酸改性凹凸棒土。
(2)制备复合水凝胶滤饼。称取一定量AAm用20ml蒸馏水溶解配成溶液，使溶液浓度控制在1mol／L；向溶液中加入一定量的单宁酸改性凹凸棒土，控制凹凸棒土与AAm的质量比为5：1。向混合溶液中加入0.04mol／L的MBAA作交联剂，溶解搅拌均匀后通氮气20分钟以上，再加入0.005mol／L的过硫酸铵作引发剂，搅拌溶解，继续通氮气30分钟以上后，将溶液倒入圆柱形模具中，模具底部设有陶瓷网支撑体，将模具放入65℃恒温环境中，使其凝胶反应12小时，即得复合水凝胶滤饼；
(3)复合水凝胶滤饼后处理。将所得的复合水凝胶滤饼用蒸馏水浸泡3天，以除去未反应的小分子单体，即得本发明所述的复合水凝胶滤饼。
实施例2：
(1)凹凸棒土的预处理。称取10g粒径1000目的凹凸棒土，用1L蒸馏水洗涤，沉淀取其上层清液，500rpm离心1min后取其上层清液，上层清液中加少量蒸馏水混合均匀后继续500rpm离心1min，然后取其上层清液，如此反复洗涤上层清液3次后，最后用4000rpm进行离心分离，取其沉淀，90℃下真空干燥24h，研磨后按粒径大小选择对应目数的筛子过筛，得纯化凹凸棒土。
配置浓度为0.5mol／L的盐酸溶液，取20g纯化凹凸棒土与150mL盐酸溶液加入到小烧杯中搅拌混合，5min后，将混合物加热到70℃，搅拌1h，然后超声振荡30min，抽滤，用蒸馏水洗涤至pH约为6左右，90℃下真空干燥24h，研磨后按粒径大小选择对应目数的筛子过筛，得酸改性凹凸棒土。
取1g酸改性凹凸棒土，加入250mL浓度2000mg／L的单宁酸溶液，室温搅拌2h后乙醇洗至上清液与FeCl3溶液无显色反应，离心分离，干燥研磨，按粒径大小选择对应目数的筛子过筛，得到单宁酸改性凹凸棒土。
(2)制备复合水凝胶滤饼。称取一定量AAm用20ml蒸馏水溶解配成溶液，使溶液浓度控制在1mol／L；向溶液中加入一定量的单宁酸改性凹凸棒土，控制凹凸棒土与AAm的质量比为5：1。向混合溶液中加入0.12mol／L的MBAA作交联剂，溶解搅拌均匀后通氮气20分钟以上，再加入0.015mol／L的过硫酸铵作引发剂，搅拌溶解，继续通氮气30分钟以上后，将溶液倒入圆柱形模具中，模具底部设有陶瓷网支撑体，将模具放入75℃恒温环境中，使其凝胶反应24小时，即得聚丙烯酰胺复合水凝胶滤饼；
(3)复合水凝胶滤饼后处理。将所得的复合水凝胶滤饼用蒸馏水浸泡5天，以除去未反应的小分子单体，即得本发明所述的复合水凝胶滤饼。
实施例3：
(1)凹凸棒土的预处理。称取20g粒径300目的凹凸棒土，用1L蒸馏水洗涤，沉淀取其上层清液，500rpm离心1min后取其上层清液，上层清液中加少量蒸馏水混合均匀后继续500rpm离心1min，然后取其上层清液，如此反复洗涤上层清液5次后，最后用4000rpm进行离心分离，取其沉淀，90℃下真空干燥24h，研磨后按粒径大小选择对应目数的筛子过筛，得纯化凹凸棒土。
配置浓度为3mol／L的盐酸溶液，取10g纯化凹凸棒土与150mL盐酸溶液加入到小烧杯中搅拌混合，5min后，将混合物加热到80℃，搅拌2h，然后超声振荡30min，抽滤，用蒸馏水洗涤至pH约为6左右，90℃下真空干燥24h，研磨后按粒径大小选择对应目数的筛子过筛，得酸改性凹凸棒土。
取1g酸改性凹凸棒土，加入200mL浓度2000mg／L的单宁酸溶液，室温搅拌3h后乙醇洗至上清液与FeCl3溶液无显色反应，离心分离，干燥研磨，按粒径大小选择对应目数的筛子过筛，得到单宁酸改性凹凸棒土。
(2)制备复合水凝胶滤饼。称取一定量AAm用20ml蒸馏水溶解配成溶液，使溶液浓度控制在1.5mol／L；向溶液中加入一定量的单宁酸改性凹凸棒土，控制凹凸棒土与AAm的质量比为10：1。向混合溶液中加入0.05mol／L的MBAA作交联剂，溶解搅拌均匀后通氮气20分钟以上，再加0.010mol／L的过硫酸铵作引发剂，搅拌溶解，继续通氮气30分钟以上后，将溶液倒入圆柱形模具中，模具底部设有陶瓷网支撑体，将模具放入70℃恒温环境中，使其凝胶反应24小时，即得聚丙烯酰胺复合水凝胶滤饼；
(3)复合水凝胶滤饼后处理。将所得的复合水凝胶滤饼用蒸馏水浸泡4天，以除去未反应的小分子单体，即得本发明所述的复合水凝胶滤饼。
实施例4：
(1)凹凸棒土的预处理。称取15g粒径500目的凹凸棒土，用1L蒸馏水洗涤，沉淀取其上层清液，500rpm离心1min后取其上层清液，上层清液中加少量蒸馏水混合均匀后继续500rpm离心1min，然后取其上层清液，如此反复洗涤上层清液5次后，最后用4000rpm进行离心分离，取其沉淀，90℃下真空干燥24h，研磨后按粒径大小选择对应目数的筛子过筛，得纯化凹凸棒土。
配置浓度为1mol／L的盐酸溶液，取12g纯化凹凸棒土与180mL盐酸溶液加入到小烧杯中搅拌混合，5min后，将混合物加热到70℃，搅拌1h，然后超声振荡30min，抽滤，用蒸馏水洗涤至pH约为6左右，90℃下真空干燥24h，研磨后按粒径大小选择对应目数的筛子过筛，得酸改性凹凸棒土。
取2g酸改性凹凸棒土，加入250mL浓度2000mg／L的单宁酸溶液，室温搅拌3h后乙醇洗至上清液与FeCl3溶液无显色反应，离心分离，干燥研磨，按粒径大小选择对应目数的筛子过筛，得到单宁酸改性凹凸棒土。
(2)制备复合水凝胶滤饼。称取一定量AAm用20ml蒸馏水溶解配成溶液，使溶液浓度控制在2mol／L；向溶液中加入一定量的单宁酸改性凹凸棒土，控制凹凸棒土与AAm的质量比为8：1。向混合溶液中加入0.05mol／L的MBAA作交联剂，溶解搅拌均匀后通氮气20分钟以上，再加入0.006mol／L的过硫酸铵作引发剂，搅拌溶解，继续通氮气30分钟以上后，将溶液倒入圆柱形模具中，模具底部设有陶瓷网支撑体，将模具放入65℃恒温环境中，使其凝胶反应18小时，即得聚丙烯酰胺复合水凝胶滤饼；
(3)复合水凝胶滤饼后处理。将所得的复合水凝胶滤饼用蒸馏水浸泡3.5天，以除去未反应的小分子单体，即得本发明所述的复合水凝胶滤饼。
Claims (2)
1.一种吸附重金属离子的复合水凝胶滤饼，包括底层支撑网、水凝胶滤层和凹凸棒土凸起三部分，其特征在于，所述底层支撑网为陶瓷网支撑体；所述水凝胶滤层由丙烯酰胺单体聚合而成；所述凹凸棒土凸起为圆柱体、立方体或其他不规则形状。
2.如权利要求1所述的一种吸附重金属离子的复合水凝胶滤饼，其特征在于，所述凹凸棒土凸起随机分布在水凝胶滤层表面。
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