一種黃麻/聚合物凝膠的製備方法及其作為重金屬吸附劑的應用與流程
2023-05-15 07:25:46 2
本發明涉及一種重金屬吸附劑的製備，特別涉及一種黃麻/聚合物凝膠的製備及其作為重金屬吸附劑的應用，屬於水汙染處理技術領域。
背景技術：
重金屬水體汙染已經嚴重影響到人類健康和生態安全。因此，對重金屬廢水的淨化處理已成為環境保護中亟待解決的問題之一。吸附法是處理重金屬汙染的一個重要手段，目前已有的重金屬吸附劑有無機吸附材料如活性炭、蛭石、膨潤土等，有機吸附材料纖維素及其改性產物、殼聚糖等。這些吸附材料存在重金屬吸附性能有限、難以重複利用或成本高等缺點。
黃麻是一種來源豐富、價格低廉的可再生資源。黃麻尤其黃麻葉中含有豐富的-OH和-NH2等基團，對金屬離子具有一定螯合作用。然而單一黃麻作為吸附劑，在水中表現為粘稠狀，功能基團難以充分暴露，並且難以再生利用，導致其應用受到局限。
技術實現要素：
針對現有技術中黃麻作為重金屬吸附材料存在的缺陷，本發明的第一個目的旨在提供一種通過丙烯酸類聚合物對黃麻進行複合改性獲得黃麻/聚合物凝膠的方法，該方法可有效地提高黃麻材料對重金屬的吸附能力，且可獲得良好的機械性能，使黃麻材料可重複利用。
本發明的第二個目的是在於提供黃麻/聚合物凝膠作為重金屬吸附劑的應用，對水溶液中的鉛、鎘、鉻、鋅、銅、錳等重金屬離子表現出很好的去除效果，且吸附劑可以回收並重複使用。
為了實現上述技術目的，本發明提供了一種黃麻/聚合物凝膠的製備方法，該方法是將丙烯酸類聚合單體加入到黃麻水分散液中進行聚合反應，即得。
本發明的技術方案關鍵在於採用丙烯酸類聚合物(如聚丙烯酸PAA、聚甲基丙烯酸PMA或聚丙烯醯胺(PAAM)等)對黃麻進行原位複合形成黃麻/聚合物凝膠複合材料，該黃麻/聚合物凝膠具有良好的水滲透性，能使黃麻的吸附位點暴露於水體系中，有利於溶液中的金屬離子能很快的擴散到凝膠內部，使黃麻對重金屬離子具有更好的吸附效果，且黃麻通過聚合物改性後可獲得較好的機械性能，有利於其回收和重複使用。
優選的方案，黃麻包括黃麻的杆、枝、葉中至少一種。最優選為黃麻葉。大量實驗表明黃麻葉含有更多的活性基團，更有利於對溶液中的重金屬離子的螯合，以黃麻葉為黃麻材料得到的黃麻/聚合物凝膠對重金屬的吸附能力高於以黃麻杆或枝為黃麻材料得到的複合材料。
優選的方案，丙烯酸類聚合單體包括丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯醯胺中至少一種。更優選為丙烯酸。採用丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯醯胺製備的聚丙烯酸(PAA)或聚甲基丙烯酸(PMA)或聚丙烯醯胺(PAAM)或它們的共聚物具有較好的凝膠性能。且通過大量實驗表明，以丙烯酸聚合單體製備的黃麻/聚合物凝膠對重金屬的吸附性能稍高於以甲基丙烯酸或丙烯醯胺聚合單體製備的黃麻/聚合物凝膠對重金屬的吸附性能。
優選的方案，所述丙烯酸類聚合單體與黃麻的質量比為1～10∶1～15；質量比最優選為1∶1～5。大量實驗表明：聚合物單體與黃麻的質量比在1∶1～5範圍內可以達到最佳的實施效果，若聚合物單體與黃麻的質量比大於1∶0.5，機械性能有所提高，但吸附性能下降明顯；若聚合物單體與黃麻的質量比小於1∶7，吸附性能沒有明顯提高，但機械性能則有較大的下降。
優選的方案，所述聚合反應以過硫酸銨(APS)和/或過硫酸鉀(PPS)為引發劑，以N,N'-亞甲基雙丙烯醯胺(MBA)為交聯劑，聚合反應溫度為55℃～65℃。
優選的方案，聚合反應時間為3～6小時。
優選的方案，黃麻水分散液由以下方法得到：將黃麻在NaOH溶液中浸泡後，採用HCl溶液調至中性，即得黃麻水分散液。通過鹼處理再酸中和，使黃麻表面的活性基團增多，有利於其在水中分散，同時也有利於改善其吸附性能。
本發明的黃麻/聚合物凝膠具體製備方法如下：將丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸(MA)和/或丙烯醯胺(AAM)單體加入到黃麻(Jute)水分散液中，其中單體與黃麻的質量比為1～10∶1～15，以過硫酸銨和/或過硫酸鉀作為引發劑，以N,N'-亞甲基雙丙烯醯胺為交聯劑，在55℃～65℃下攪拌3～6小時，得到黃麻/聚合物凝膠(Jute/PAA或Jute/PMA或Jute/PAAM)。
本發明還提供了一種黃麻/聚合物凝膠作為重金屬吸附劑的應用，將黃麻/聚合物凝膠用於吸附水溶液中的重金屬離子。
優選的方案，重金屬離子包括鉛離子、鎘離子、鉻離子、鋅離子、銅離子、錳離子中的至少一種。
優選的方案，黃麻/聚合物凝膠在水溶液中的濃度為0.1～5g·L-1，優選為0.5～1.5g·L-1。水溶液中的重金屬離子濃度10～600mg·L-1。水溶液的溫度為10～40℃，一般在常溫下即可。
本發明的技術方案中，黃麻/聚合物凝膠作為重金屬吸附劑應用於吸附水溶液中的重金屬離子，如鉛、鎘、鉻、鋅、銅和錳等離子均有很好的去除效果，尤其Jute/PAA吸附劑對鉛和鎘離子的吸附量分別可高達508和383mg/g，高於純黃麻吸附劑對鉛和鎘離子的吸附量，同時，黃麻/聚合物凝膠具備有良好的機械性能，可以回收，並重複使用。
相對現有技術，本發明技術方案帶來的有益技術效果：
本發明的技術方案首次採用聚丙烯酸(PAA)或聚甲基丙烯酸(PMA)或聚丙烯醯胺(PAAM)聚合物對黃麻進行複合改性形成的黃麻/聚合物凝膠，形成的凝膠具有良好的水滲透性，能使黃麻的吸附位點暴露於水體系中，有利於溶液中的金屬離子快速擴散到凝膠內部，使黃麻對重金屬離子具有更好的吸附效果，且黃麻通過聚合物的改性，具有較好的機械性能，有利於回收和重複使用。以Jute/PAA或Jute/PMA或Jute/PAAM為吸附劑對水溶液中的鉛、鎘、鉻、鋅、銅和錳等離子均有很好的去除效果，尤其Jute/PAA吸附劑對鉛和鎘離子的吸附量分別可高達508和383mg/g，高於純黃麻吸附劑對鉛和鎘離子的吸附量。
附圖說明
【圖1】為黃麻/聚合物凝膠Jute/PAA的照片；
【圖2】為黃麻/聚合物凝膠Jute/PAA循環使用對鉛和鎘的吸附效果圖。
具體實施方式
以下實施例旨在進一步詳細說明本發明內容，而不是對本發明保護範圍的進一步限定。
實施例1
(1)黃麻預處理
黃麻樹按杆、枝、葉分離，自然太陽光烘乾，然後用粉碎機粉碎備用。
(2)黃麻葉/聚丙烯酸凝膠(Jute(葉)/PAA)製備
將100mL含20wt％的黃麻溶液(用NaOH在加熱條件下使黃麻葉粉末溶解，然後由HCl將溶液調至中性)，20mL的丙烯酸單體，0.25mol％引發劑APS、1.5mol％交聯劑MBA(與丙烯酸的摩爾比)的混合液加入到反應瓶，密封放入到60℃的水浴鍋裡反應5小時，完成聚合反應，得到Jute(葉)/PAA凝膠(聚合物單體與黃麻質量比為1:1)，即本發明中所述的重金屬吸附劑。Jute(葉)/PAA重金屬吸附劑的照片如圖1所示，圖中表明，該Jute(葉)/PAA重金屬吸附劑具有良好的機械柔性及壓縮性能。
(3)吸附性能的測定
Jute(葉)/PAA為吸附劑對重金屬鉛、鎘、鉻、鋅、銅和錳離子進行吸附試驗。重金屬溶液的濃度分別為600、500、400﹑300﹑200﹑100﹑70﹑50、30、10mg.L-1，吸附劑濃度為1g.L-1，溫度分別為293K、303K、313K，吸附時間為2小時。模擬Langmuir吸附等溫線測其吸附量。Jute(葉)/PAA對鉛、鎘、鉻、鋅、銅和錳最大吸附量分別508、383、301、282、266和243mg.g-1。
(4)吸附劑重複利用性的測試
Jute(葉)/PAA為吸附劑對重金屬鉛和鎘離子進行吸附劑重複利用性的試驗。鉛和鎘離子的濃度均為400mg.L-1，吸附劑濃度為1g.L-1，溫度為303K，每一次吸附時間為2小時。每一次吸附完成後用0.1mol/L的HCl溶液進行解吸。如圖2所示，在第一次吸附中，吸附劑對Pb離子、Cd離子的吸附率分別為96％和83％。經過五次循環後，吸附率仍然分別高達93％和81％。結果表明，該吸附劑具有良好的重複利用性能。
實施例2
(1)黃麻預處理
同實施例1。
(2)黃麻葉/聚甲基丙烯酸凝膠(Jute(葉)/PMA)製備
將實施例1中的丙烯酸(AA)用甲基丙烯酸(MA)替代，其餘同實施例1。
(3)吸附性能的測定
Jute(葉)/PMA替代Jute(葉)/PAA，其餘同實施例1。Jute(葉)/PMA對鉛、鎘、鉻、鋅、銅和錳最大吸附量分別492、377、289、276、263和239mg.g-1。
實施例3
(1)黃麻預處理
同實施例1。
(2)黃麻葉/聚丙烯醯胺凝膠(Jute(葉)/PAAM)製備
將實施例1中的丙烯酸(AA)用丙烯醯胺(AAM)替代，其餘同實施例1。
(3)吸附性能的測定
Jute(葉)/PAAM替代Jute(葉)/PAA，其餘同實施例1。Jute(葉)/PAAM對鉛、鎘、鉻、鋅、銅和錳最大吸附量分別496、382、299、294、289和258mg.g-1。
實施例4
(1)黃麻預處理
同實施例1。
(2)黃麻枝/聚丙烯酸凝膠(Jute(枝)/PAA)製備
將實施例1中的黃麻葉用黃麻枝替代,其餘同實施例1。
(3)吸附性能的測定
吸附性能的測定條件同實施例1。Jute(枝)/PAA對鉛、鎘、鉻、鋅、銅和錳最大吸附量分別427、352、268、243、223和209mg.g-1。
實施例5
(1)黃麻預處理
同實施例1。
(2)黃麻莖/聚丙烯酸凝膠(Jute(杆)/PAA)製備
將實施例1中的黃麻葉用黃麻杆替代,其餘同實施例1。
(3)吸附性能的測定
吸附性能的測定條件同實施例1。Jute(杆)/PAA對鉛、鎘、鉻、鋅、銅和錳最大吸附量分別398、339、247、216、204和188mg.g-1。
實施例6
(1)黃麻預處理
同實施例1。
(2)黃麻葉/聚丙烯酸凝膠(Jute(葉)/PAA)製備
將實施例1中聚合物單體與黃麻質量比改為1:0.5,其餘同實施例1。
(3)吸附性能的測定
吸附性能的測定條件同實施例1。Jute(葉)/PAA對鉛、鎘、鉻、鋅、銅和錳最大吸附量分別302、241、209、176、133和107mg.g-1。同實施例1相比，吸附性能下降明顯，機械性能有所提高。
實施例7
(1)黃麻預處理
同實施例1。
(2)黃麻葉/聚丙烯酸凝膠(Jute(葉)/PAA)製備
將實施例1中聚合物單體與黃麻質量比改為1:7,其餘同實施例1。
(3)吸附性能的測定
吸附性能的測定條件同實施例1。Jute(葉)/PAA對鉛、鎘、鉻、鋅、銅和錳最大吸附量分別512、387、321、293、273和254mg.g-1。同實施例1相比，吸附性能稍有提高，但機械性能下降明顯。
對比例1
(1)黃麻預處理
同實施例1。
(2)將100mL含20wt％的黃麻葉溶液(用NaOH在加熱條件下使黃麻葉
粉末溶解，然後由HCl將溶液調至中性)直接用於重金屬吸附。
(3)吸附性能的測定
吸附性能的測定條件同實施例1。黃麻葉對鉛、鎘、鉻、鋅、銅和錳最大吸附量分別488、341、269、240、226和217mg.g-1。同實施例1相比，吸附性能有所下降，同時難以重複利用。
對比例2
(1)黃麻預處理
同實施例1。
(2)將100mL含20wt％的黃麻枝溶液(用NaOH在加熱條件下使黃麻杆
粉末溶解，然後由HCl將溶液調至中性)直接用於重金屬吸附。
(3)吸附性能的測定
吸附性能的測定條件同實施例1。黃麻枝對對鉛、鎘、鉻、鋅、銅和錳最大吸附量分別407、296、251、226、187和169mg.g-1。同對比例1相比，吸附性能有所下降，同樣難以重複利用。
對比例3
(1)黃麻預處理
同實施例1。
(2)將100mL含20wt％的黃麻杆溶液(用NaOH在加熱條件下使黃麻杆
粉末溶解，然後由HCl將溶液調至中性)直接用於重金屬吸附。
(3)吸附性能的測定
吸附性能的測定條件同實施例1。黃麻杆對對鉛、鎘、鉻、鋅、銅和錳最大吸附量分別354、272、215、186、146和114mg.g-1。同對比例2相比，吸附性能有所下降，同樣難以重複利用。