CN103212376A - 吸附重金属离子的纳米CuS嫁接改性竹粉的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸附重金属离子的纳米CuS嫁接改性竹粉的制备方法，生产吸附容量大、吸附速度快且稳定性好的重金属离子生物吸附剂。本发明内容包括：合成纳米CuS胶体，将硫代乙酰胺水醇溶液缓慢滴加到等体积硫酸铜水醇溶液中；竹粉预处理，竹粉浸泡氢氧化钠溶液中，抽滤，滤渣干燥；制备纳米CuS嫁接改性竹粉，将预处理竹粉置于巯基乙酸水溶液中，加入纳米CuS胶体，干燥；最后检测吸附性能。本发明制备方法简单，操作方便，成本低廉；吸附率高，吸附容量大，平均吸附率高达95%以上；可循环使用，环保无污染。本发明生产的生物吸附剂可广泛应用于含重金属污染物水体的处理。

Description

吸附重金属离子的纳米CuS嫁接改性竹粉的制备方法

技术领域

本发明涉及吸附重金属离子材料及其制备方法，特别是一种吸附重金属离子的纳米CuS嫁接改性竹粉的制备方法。

背景技术

随着工业化和城市化的快速发展，大量未经处理的含重金属污染物进入水体，水环境污染问题越来越严重。重金属污染物具有高毒性、持久性、难降解等特点，是对环境和人类生存危害最大的污染物之一。生物吸附法作为一种新兴的重金属去除技术，具有原材料丰富，运行成本低，重金属易于分离回收等优点，已成为环境污染控制领域一大研究热点。中国专利公开（公告）号：CN 102247814A，公开了“用于重金属废水处理的生物质吸附剂及重金属废水处理方法”，该方法简单，对水中重金属离子有良好的吸附性能。但此类生物吸附剂在工业应用上也存在一些不足：一是吸附速度慢，吸附主要依赖于吸附材料本身的多孔性质和其有限的活性官能团；二是吸附剂吸附饱和后不易解析，通过化学还原法回收重金属会使成本增加；三是吸附材料无法再生和重复使用，通过焚化冶炼往往会造成二次污染。

纳米材料是近几年兴起的一种高效的吸附剂，它具有尺寸效应，分散性好，巨大的比表面积和表面自由能，容易嫁接其它功能化官能团，可以强化多种界面反应以及其它材料所无法比拟的大量吸附位点等特征，学者们已经研究应用TiO₂、MnS、ZnS、ZnO等纳米材料去除废水中重金属离子。

发明内容

本发明提供了一种吸附重金属离子的纳米CuS嫁接改性竹粉的制备方法，生产吸附容量大、吸附速度快且稳定性好的重金属离子生物吸附剂。

本发明提供的用于吸附重金属离子的纳米CuS嫁接改性竹粉的制备方法，包括以下步骤：

a.合成纳米CuS胶体：将硫代乙酰胺水醇溶液缓慢滴加到等体积硫酸铜水醇溶液中，搅拌，两者摩尔比为3:1或1:3，滴加结束后继续搅拌，反应完全后转移至微波消解反应釜中，微波消解，反应结束后得到纳米CuS胶体，取出避光备用；

b.竹粉预处理：首先竹粉经自来水和去离子水洗净后干燥，过80目筛。然后将竹粉浸泡在0.1～0.5mol/L氢氧化钠溶液中，磁力搅拌12～24小时后抽滤，滤渣用去离子水洗至pH为中性后干燥，得预处理竹粉；

c.制备纳米CuS嫁接改性竹粉：将预处理竹粉置于重量百分比浓度为2.5～10%巯基乙酸水溶液中，加入2～5mL乙酸和0.2～0.5mL浓硫酸，室温搅拌10～20h后，加入纳米CuS胶体25～50mL，混合后缓慢搅拌15～30min，过滤，滤渣用去离子水洗至pH为中性后干燥，得纳米CuS嫁接改性竹粉；

d.检测吸附性能：在室温条件下，取0.05g纳米CuS嫁接改性竹粉分别加入到25mL浓度为50mg/L Cu²⁺、50mg/L Cd²⁺、50mg/L Mn²⁺、50mg/L Zn²⁺、50mg/L Ni²⁺和100mg/L Pb²⁺溶液中。超声震荡15min后过滤，用原子吸收分光光度法测定吸附前后的重金属溶液浓度，根据下式计算吸附率η（%）：

$\mathrm{\η}=\frac{C_0-C_e}{C_0}\×100\%---\left(1\right)$

式中：C₀为金属离子的初始浓度，mg/L；C_e为吸附平衡时金属离子的浓度，mg/L。

步骤a所述的硫代乙酰胺水醇溶液和硫酸铜水醇溶液，是将硫代乙酰胺和硫酸铜分别加入到去离子水和乙醇比为1:1的水醇溶液中配制而成。

本发明与现有同类技术相比其显著的有益效果体现在：

1.制备方法简单，操作方便，成本低廉。本发明采用一步法把纳米CuS直接嫁接到竹粉表面上，且竹粉为竹子深加工的副产品，原料来源广泛，廉价易得，与传统树脂型吸附材料相比成本大幅度降低。

2.吸附率高，吸附容量大。经本发明得到的纳米CuS嫁接改性竹粉对重金属离子显示出了良好的吸附性能，如Cu²⁺、Cd²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺等，平均吸附率高达95%以上。

3.吸附速度快，再生简单，可循环使用，环保无污染。与传统的活性炭、矿物质等吸附材料相比，该方法制备的生物吸附剂可在30分钟内达到吸附平衡，使用过的纳米CuS嫁接改性竹粉可用酸液超声震荡再生，纳米CuS嫁接改性竹粉可重复使用，且不会对环境产生二次污染。

具体实施方式

下面用实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

用于吸附重金属离子的纳米CuS嫁接改性竹粉的制备方法，小规模生产步骤如下：

（1）将硫代乙酰胺和硫酸铜分别加入到去离子水和乙醇比为1:1的水醇溶液中，配制成硫代乙酰胺水醇溶液和硫酸铜水醇溶液；

（2）将100mL浓度为210mol/L硫代乙酰胺水醇溶液缓慢滴加到100mL浓度为70mmol/L硫酸铜水醇溶液中，同时搅拌。滴加结束后继续搅拌30min，使反应完全。然后转移至微波消解反应釜中，在功率180W下，微波消解1h。微波结束后，自然冷却至室温，得纳米CuS胶体，低温避光备用；

（3）竹粉经自来水和去离子水洗净后于70℃干燥箱内烘干24h，过80目筛，备用；

（4）取25g竹粉于500mL锥形瓶中，加入500mL浓度为0.1mol/L氢氧化钠溶液，磁力搅拌24h，随后抽滤并用去离子水洗至pH为中性，在干燥箱内70℃烘干24h，得预处理竹粉；

（5）取10g预处理竹粉置于100mL体积浓度为5%巯基乙酸溶液中，加入5mL乙酸和0.5mL浓硫酸，室温搅拌20h后，加入纳米CuS胶体50mL，混合后缓慢搅拌30min，过滤，滤渣用去离子水洗至pH为中性后于60℃真空干燥箱内干燥，得纳米CuS嫁接改性竹粉。经检测，该纳米CuS嫁接改性竹粉对Cu²⁺、Cd²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺和Pb²⁺的吸附率分别为97.8%、99.0%、97.5%、96.5%、95.5%和98.3%。

实施例2

用于吸附重金属离子的纳米CuS嫁接改性竹粉的制备方法，小规模生产步骤如下：

（1）同实施例1；

（2）同实施例1；

（3）同实施例1；

（4）取25g竹粉于500mL锥形瓶中，加入200mL浓度为0.5mol/L氢氧化钠溶液，磁力搅拌24h，随后抽滤并用去离子水洗至pH为中性，在干燥箱内70℃烘干24h，得预处理竹粉；

（5）取10g预处理竹粉置于100mL体积浓度为10%巯基乙酸溶液中，加入5mL乙酸和0.5mL浓硫酸，室温搅拌20h后，加入纳米CuS胶体50mL，混合后缓慢搅拌30min，过滤，滤渣用去离子水洗至pH为中性后于60℃真空干燥箱内干燥，得纳米CuS嫁接改性竹粉。经检测，该纳米CuS嫁接改性竹粉对Cu²⁺、Cd²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺和Pb²⁺的吸附率分别为98.8%、99.0%、98.2%、97.7%、96.7%和99.0%。

实施例3

用于吸附重金属离子的纳米CuS嫁接改性竹粉的制备方法，小规模生产步骤如下：

（1）同实施例1；

（2）同实施例1；

（3）同实施例1；

（4）取10g竹粉于500mL锥形瓶中，加入100mL浓度为0.5mol/L氢氧化钠溶液，磁力搅拌24h，随后抽滤并用去离子水洗至pH为中性，在干燥箱内70℃烘干24h，得预处理竹粉；

（5）取5g预处理竹粉置于100mL体积浓度为2.5%巯基乙酸溶液中，加入2mL乙酸和0.2mL浓硫酸，室温搅拌10h后，加入纳米CuS胶体25mL，混合后缓慢搅拌15min，过滤，滤渣用去离子水洗至pH为中性后于60℃真空干燥箱内干燥，得纳米CuS嫁接改性竹粉。经检测，该纳米CuS嫁接改性竹粉对Cu²⁺、Cd²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺和Pb²⁺的吸附率分别为97.3%、99.5%、98.5%、98.1%、97.2%和98.4%。

实施例4

用于吸附重金属离子的纳米CuS嫁接改性竹粉的制备方法，小规模生产步骤如下：

（1）同实施例1；

（2）将100mL浓度为70mol/L硫代乙酰胺水醇溶液缓慢滴加到100mL浓度为210mmol/L硫酸铜水醇溶液中，同时搅拌。滴加结束后继续搅拌30min，使反应完全。然后转移至微波消解反应釜中，在功率180W下，微波消解1h。微波结束后，自然冷却至室温，得纳米CuS胶体，低温避光备用；

（3）同实施例1；

（4）同实施例1；

（5）取10g预处理竹粉置于100mL体积浓度为5%巯基乙酸溶液中，加入5mL乙酸和0.5mL浓硫酸，室温搅拌20h后，加入纳米CuS胶体50mL，混合后缓慢搅拌30min，过滤，滤渣用去离子水洗至pH为中性后于60℃真空干燥箱内干燥，得纳米CuS嫁接改性竹粉。经检测，该纳米CuS嫁接改性竹粉对Cu²⁺、Cd²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺和Pb²⁺的吸附率分别为97.2%、98.8%、97.9%、96.9%、95.3%和97.7%。

实施例5

用于吸附重金属离子的纳米CuS嫁接改性竹粉的制备方法，小规模生产步骤如下：

（1）同实施例1；

（2）将100mL浓度为70mol/L硫代乙酰胺水醇溶液缓慢滴加到100mL浓度为210mmol/L硫酸铜水醇溶液中，同时搅拌。滴加结束后继续搅拌30min，使反应完全。然后转移至微波消解反应釜中，在功率180W下，微波消解1h。微波结束后，自然冷却至室温，得纳米CuS胶体，低温避光备用；

（3）同实施例1；

（4）取10g竹粉于500mL锥形瓶中，加入100mL浓度为0.5mol/L氢氧化钠溶液，磁力搅拌24h，随后抽滤并用去离子水洗至pH为中性，在干燥箱内70℃烘干24h，得预处理竹粉；

（5）取5g预处理竹粉置于100mL体积浓度为2.5%巯基乙酸溶液中，加入2mL乙酸和0.2mL浓硫酸，室温搅拌10h后，加入纳米CuS胶体25mL，混合后缓慢搅拌15min，过滤，滤渣用去离子水洗至pH为中性后于60℃真空干燥箱内干燥，得纳米CuS嫁接改性竹粉。经检测，该纳米CuS嫁接改性竹粉对Cu²⁺、Cd²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺和Pb²⁺的吸附率分别为97.7%、98.0%、97.3%、97.2%、95.9%和98.1%。

Claims (2)

1.一种用于吸附重金属离子的纳米CuS嫁接改性竹粉的制备方法，其特征在于该包括以下步骤：

a.合成纳米CuS胶体：将硫代乙酰胺水醇溶液缓慢滴加到等体积硫酸铜水醇溶液中，搅拌，两者摩尔比为3:1或1:3，滴加结束后继续搅拌，反应完全后转移至微波消解反应釜中，微波消解，反应结束后得到纳米CuS胶体，取出避光备用；

b.竹粉预处理：首先竹粉经自来水和去离子水洗净后干燥，过80目筛，然后将竹粉浸泡在0.1～0.5mol/L氢氧化钠溶液中，磁力搅拌12～24小时后抽滤，滤渣用去离子水洗至pH为中性后干燥，得预处理竹粉；

c.制备纳米CuS嫁接改性竹粉：将预处理竹粉置于重量百分比浓度为2.5～10%巯基乙酸水溶液中，加入2～5mL乙酸和0.2～0.5mL浓硫酸，室温搅拌10～20h后，加入纳米CuS胶体25～50mL，混合后缓慢搅拌15～30min，过滤，滤渣用去离子水洗至pH为中性后干燥，得纳米CuS嫁接改性竹粉；

d.检测吸附性能：在室温条件下，取0.05g纳米CuS嫁接改性竹粉分别加入到25mL浓度为50mg/L Cu²⁺、50mg/L Cd²⁺、50mg/L Mn²⁺、50mg/L Zn²⁺、50mg/L Ni²⁺和100mg/L Pb²⁺溶液中，调节溶液的pH值5.5～6.5，超声震荡15min后过滤，用原子吸收分光光度法测定吸附前后的重金属溶液浓度，根据下式计算吸附率η（%）：

$\mathrm{\η}=\frac{C_0-C_e}{C_0}\×100\%---\left(1\right)$

式中：C₀为金属离子的初始浓度，mg/L；C_e为吸附平衡时金属离子的浓度，mg/L。

2.根据权利要求1所述的一种用于吸附重金属离子的纳米CuS嫁接改性竹粉的制备方法，其特征在于步骤a所述的硫代乙酰胺水醇溶液和硫酸铜水醇溶液，是将硫代乙酰胺和硫酸铜分别加入到去离子水和乙醇比为1:1的水醇溶液中配制而成。