CN107694543A - 一种利用毛竹纸浆纤维素改性制备重金属离子吸附剂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用毛竹纸浆纤维素改性制备重金属离子吸附剂的方法。采用方法的要点是将毛竹纸浆纤维素溶解于氢氧化钠和硫脲的混合溶液中，低温冷冻处理得到溶解均匀的毛竹纸浆纤维素溶液，再经过氧化处理后与体系中的硫脲反应得到吸附剂产品。本发明在纤维素溶剂体系中引入后续反应原料，有利于减少反应步骤，降低制备成本，同时提出了高值化利用毛竹资源的一条创新思路，可切实提高我国竹区农民的经济收入，具有重要的现实意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备重金属离子吸附剂的方法，特别涉及一种利用毛竹纸浆纤维素改性制备重金属离子吸附剂的方法，属于有机高分子材料领域。
背景技术
随着近几十年工业化进程的发展，废水的排放量日益加剧，从而导致环境的严重破坏。废水中各种有害的物质经过水体富集到生物链中，最终进入人体，给人类带来严重的毒害影响。其中含有的重金属离子是对环境污染最严重和对人类健康危害最大的有害物质之一。因此，如何治理重金属废水已经受到各界的普遍重视。
目前，用于去除污水中重金属离子的有效分离工艺有：沉淀、离子交换、电化学处理、膜技术、蒸发凝固、反渗透和电渗析等，但这些技术的应用有时受工艺和经济的限制，其中吸附法受到了很大的关注。
纤维素是地球上含量最丰富的天然高分子化合物，由单一的D-葡萄糖单元通过β-1,4-糖苷键链状连接而成。纤维素分子内含有许多亲水性的羟基基团，具有多孔及比表面积大的特点，其本身就具有一定的吸附性,成为吸附剂的良好材料。由于纤维素具有多种不同结构的反应基团，化学反应活性大，所以可用于高效的纤维素化学改性，成为良好的化学反应原料。但是由于纤维素难溶于水的性质，所以在对其进行化学改性的过程中很难达到均相反应，导致反应不够充分。
目前在利用纤维素改性制备吸附剂的一些研究中，大多数是直接将纤维素进行改性，很少有见到将纤维素充分溶解进行均相反应。在金属离子吸附剂制备领域，中国专利(CN 102476044A)“用于去除水中重金属阳离子的纤维素基吸附材料及其制法”用直径为10nm-100μm的天然纤维素或纤维素衍生物的纤维作为吸附材料的基体材料，在所述的纤维素基体材料表面接枝含有羧基基团的聚烯烃，从而使纤维素基体材料表面带有羧基基团，所带的羧基基团与重金属阳离子发生静电吸引作用，从而将水中的Cd2+、Cr2+、Cu2+、Hg2+、Ni2 +、Pb2+和/或Zn2+等有害阳离子除去，与现有技术中的重金属阳离子吸附剂材料相比，此发明采用天然纤维素或纤维素衍生物作为吸附载体，性价比更高，可使水中的重金属阳离子含量大大低于国家规定标准；中国专利(CN 101274268A)“一种对重金属离子具有吸附能力的生物吸附剂及其制法和应用”利用离子液能溶解微晶纤维素、甲壳素等生物高分子的能力，制备具有吸附重金属离子能力的杂化共混材料，并描述了其形貌结构及对吸附性能进行了初步研究；中国专利(CN 104437410A)“用于吸附重金属离子、有机污染物的改性纤维素材料及制备方法”以纤维素为原料，经碱活化得碱化纤维素，再以硝酸铈铵和偶氮二异丁腈作复合引发剂，将单体2-氰基-3-乙氧基丙烯酸乙酯接枝至碱化纤维素上，采用羟胺溶液对其胺肟化改性，制备得到一种既含偕胺肟基团又包含羟胺肟基团的改性纤维素材料，此发明原料价廉易得，制备工艺简单、操作易控，便于批量生产，可用于吸附废水中重金属离子、有机污染物；美国专利(US20110008543A1)“Biodegradable biopolymers,method for theirpreparation and functional materials constituted by these biopolymers”采用丝素蛋白和至少一种选自纤维素、壳聚糖及其衍生物进行反应，该材料可以通过将蚕丝素蛋白水溶液浇铸在基材的表面上，然后将所施加的溶液进行干燥以形成膜状可生物降解的生物聚合物材料，该可生物降解的生物聚合物材料有效地用作金属离子吸附材料；美国专利(US 2016263554A1)“Nanofibrous materials for heavy metal adsorption”以被修饰具有硫醇基团的纳米纤维素制备水过滤膜，这种膜包括有效结合重金属离子的材料，可应用于支架以适于从水中除去重金属离子。截至目前，还未见到利用毛竹纸浆纤维素在氢氧化钠/硫脲体系中溶解制备重金属离子吸附剂的相关工艺技术出现。
发明内容
为了克服目前制备吸附剂材料的纤维原料供给不足、价格昂贵，反应复杂等问题，同时减少重金属离子对环境的污染和破坏，制备高附加值可生物降解的金属离子吸附新材料，本发明的目的是提供一种利用毛竹纸浆纤维素改性制备重金属离子吸附剂的方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是采用以下步骤：
1)将毛竹浆板剪碎、干燥，采用植物粉碎机粉碎，经100目筛网过滤，得到粒径小于等于0.15mm的毛竹纸浆纤维素粉末；
2)将步骤1)得到的毛竹纸浆纤维素粉末加入至预冷冻1～2h的氢氧化钠和硫脲混合溶液中，放置于-10～-14℃的环境中充分溶解，得到毛竹纸浆纤维素溶液；
3)在步骤2)得到的毛竹纸浆纤维素溶液中加入0.6～1.0g的高碘酸钠，在40～60℃条件下机械搅拌反应2～6h，反应结束后加入乙二醇溶液终止氧化反应，得到氧化后的纤维素溶液；
4)将步骤3)得到的氧化后的纤维素溶液置于室温下，与体系中的硫脲反应1～3h，得到改性纤维素悬浮液；
5)将步骤4)得到的改性纤维素悬浮液在透析袋中透析2～3天，除去未反应完的小分子原料，将产物进行冷冻干燥，最终得到重金属离子吸附剂。
所述的氢氧化钠和硫脲混合溶液，其中氢氧化钠和硫脲的质量分数分别为10～11wt％和8～9wt％，纤维素与混合溶液的固液比为1:50～100；乙二醇用量为1～3mL。
所述的透析袋截留分子量为7000～9000D。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明在制备吸附剂反应过程中引入纤维素，提高了产品生物可降解性，同时提出了在溶解纤维素的溶剂体系中引入后续反应原材料的一条创新思路，减少实验步骤，节约实验成本，符合国家发展循环经济政策。
附图说明
图1是实施例1制备的重金属离子吸附剂的场发射扫描电镜照片。其中，(a1)是重金属离子吸附剂放大500倍照片，(a2)是重金属离子吸附剂放大1000倍照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1:
1)将毛竹浆板剪碎、干燥，采用植物粉碎机粉碎，经100目筛网过滤，得到粒径小于等于0.15mm的毛竹纸浆纤维素粉末；
2)将步骤1)得到的毛竹纸浆纤维素粉末按纤维素与混合溶液1:75的固液比加入至预冷冻1.5h的氢氧化钠和硫脲的质量分数分别为10.5wt％和8.5wt％的混合溶液中，放置于-12℃的环境中充分溶解，得到毛竹纸浆纤维素溶液；
3)在步骤2)得到的毛竹纸浆纤维素溶液中加入0.8g的高碘酸钠，在50℃条件下机械搅拌反应4h，反应结束后加入1mL乙二醇溶液终止氧化反应，得到氧化后的纤维素溶液；
4)将步骤3)得到的氧化后的纤维素溶液置于室温下，与体系中的硫脲反应2h，得到改性纤维素悬浮液；
5)将步骤4)得到的改性纤维素悬浮液在截留分子量为8000D的透析袋中透析2天，除去未反应完的小分子原料，将产物进行冷冻干燥，最终得到重金属离子吸附剂(a)。
实施例2:
1)将毛竹浆板剪碎、干燥，采用植物粉碎机粉碎，经100目筛网过滤，得到粒径小于等于0.15mm的毛竹纸浆纤维素粉末；
2)将步骤1)得到的毛竹纸浆纤维素粉末按纤维素与混合溶液1:100的固液比加入至预冷冻1h的氢氧化钠和硫脲的质量分数分别为11wt％和8wt％的混合溶液中，放置于-10℃的环境中充分溶解，得到毛竹纸浆纤维素溶液；
3)在步骤2)得到的毛竹纸浆纤维素溶液中加入1.0g的高碘酸钠，在60℃条件下机械搅拌反应6h，反应结束后加入2mL乙二醇溶液终止氧化反应，得到氧化后的纤维素溶液；
4)将步骤3)得到的氧化后的纤维素溶液置于室温下，与体系中的硫脲反应1h，得到改性纤维素悬浮液；
5)将步骤4)得到的改性纤维素悬浮液在截留分子量为9000D的透析袋中透析3天，除去未反应完的小分子原料，将产物进行冷冻干燥，最终得到重金属离子吸附剂(b)。
实施例3:
1)将毛竹浆板剪碎、干燥，采用植物粉碎机粉碎，经100目筛网过滤，得到粒径小于等于0.15mm的毛竹纸浆纤维素粉末；
2)将步骤1)得到的毛竹纸浆纤维素粉末按纤维素与混合溶液1:50的固液比加入至预冷冻2h的氢氧化钠和硫脲的质量分数分别为10wt％和9wt％的混合溶液中，放置于-14℃的环境中充分溶解，得到毛竹纸浆纤维素溶液；
3)在步骤2)得到的毛竹纸浆纤维素溶液中加入0.6g的高碘酸钠，在40℃条件下机械搅拌反应2h，反应结束后加入3mL乙二醇溶液终止氧化反应，得到氧化后的纤维素溶液；
4)将步骤3)得到的氧化后的纤维素溶液置于室温下，与体系中的硫脲反应3h，得到改性纤维素悬浮液；
5)将步骤4)得到的改性纤维素悬浮液在截留分子量为7000D的透析袋中透析2天，除去未反应完的小分子原料，将产物进行冷冻干燥，最终得到重金属离子吸附剂(c)。
测定实施例1、2、3制备得到的三种重金属离子吸附剂的元素含量。表1为由实施例1、2、3制备的重金属离子吸附剂的EDS元素含量表征结果。由表1中数据可知，采用本发明所述的制备方法获得的重金属离子吸附剂(a)、重金属离子吸附剂(b)、重金属离子吸附剂(c)中与纤维素相比均有N元素和S元素的出现，这表明硫脲已经成功接枝在纤维素上。
如图1，从实施例1制备的重金属离子吸附剂的场发射扫描电镜照片可看出，其形貌大致接近于纤维素形貌，呈棒状结构，纤维上附着很多细小颗粒状物质，增加了其比表面积，有利于提升对重金属离子的吸附效果。
表1
以上列举的仅是本发明的具体实施例。本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种利用毛竹纸浆纤维素改性制备重金属离子吸附剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将毛竹浆板剪碎、干燥，采用植物粉碎机粉碎，经100目筛网过滤，得到粒径小于等于0.15mm的毛竹纸浆纤维素粉末；
2)将步骤1)得到的毛竹纸浆纤维素粉末加入至预冷冻1～2h的氢氧化钠和硫脲混合溶液中，放置于-10～-14℃的环境中充分溶解，得到毛竹纸浆纤维素溶液；
3)在步骤2)得到的毛竹纸浆纤维素溶液中加入0.6～1.0g的高碘酸钠，在40～60℃条件下机械搅拌反应2～6h，反应结束后加入乙二醇溶液终止氧化反应，得到氧化后的纤维素溶液；
4)将步骤3)得到的氧化后的纤维素溶液置于室温下，与体系中的硫脲反应1～3h，得到改性纤维素悬浮液；
5)将步骤4)得到的改性纤维素悬浮液在透析袋中透析2～3天，除去未反应完的小分子原料，将产物进行冷冻干燥，最终得到重金属离子吸附剂。
2.根据权利要求1所述的一种利用毛竹纸浆纤维素改性制备重金属离子吸附剂的方法，其特征在于：所述的氢氧化钠和硫脲混合溶液，其中氢氧化钠和硫脲的质量分数分别为10～11wt％和8～9wt％，纤维素与混合溶液的固液比为1:50～100；乙二醇用量为1～3mL。
3.根据权利要求1所述的一种利用毛竹纸浆纤维素改性制备重金属离子吸附剂的方法，其特征在于：所述的透析袋截留分子量为7000～9000D。
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