一種海泡石/纖維素複合材料及其製備方法與流程
2023-05-29 14:48:17 2
本發明屬於生物質複合材料領域，具體涉及一種海泡石/纖維素複合材料及其製備方法。
背景技術：
水汙染治理，尤其是對工業廢水中的重金屬離子和染料汙染物的控制，是目前環境保護和汙染控制領域重要的研究課題。採礦、金屬電鍍、電氣設備製造、電池製造和化工業等工礦企業，向環境排放了大量的重金屬離子；與此同時，紡織、印刷、紙漿、皮革、食品、染色、塑料等工業每年產生大量含染料的工業廢水。
重金屬離子具有強致癌性和神經毒性，而染料（特別是合成染料）具有較為複雜的芳香分子結構，其在廢水中能夠穩定存在並具有較強的抗生物降解性。部分染料在廢水中長期存在後會在厭氧條件下分解為具有強致癌性的芳香胺化合物。因而如何有效去除廢水中的重金屬和染料汙染物，不僅具有較強的經濟價值，也具有明顯的社會價值。
在眾多方法中，吸附法可以有效地去除水溶液中的重金屬離子和染料等有害汙染物，且吸附劑可以多次回收利用，因而其具有經濟廉價、易操作和高效等優點。在所有已知的吸附材料裡，活性炭由於其優異的吸附性能被廣泛用於處理廢水。但是活性炭有明顯的局限性，即其製備與回收利用的成本較高。
公布號為CN 103316639 A的中國專利申請公開了一種有機改性海泡石吸附劑的製備方法，是以廉價的海泡石為原料，先以鹽酸酸化處理海泡石，再與纖維素經水熱反應製備得到有機改性海泡石，使得海泡石表面負載具有親有機特性的含C-H，-OH官能團的無定形碳。經有機改性後的海泡石對水中有機汙染物的吸附能力大幅度提高。然而其製備方法條件較為苛刻，需在220-240℃水熱反應12-48h，能耗較高。並且需要用到有毒催化劑六水合硫酸亞鐵銨。
公布號為CN 105617981 A的中國專利申請公開了一種海泡石的改性方法及改性海泡石在廢水處理中的應用，採用纖維素與鐵鹽共同對海泡石進行改性，具體包括海泡石的酸處理和酸改性海泡石與纖維素及鐵鹽的共同水熱反應。在該製備方法中，依然需要在160~300℃水熱反應10～30小時，能耗較高。
技術實現要素：
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種海泡石/纖維素複合材料及其製備方法。本發明的製備方法簡單，時間短，能耗低，所製得的複合材料吸附性能好，可循環利用度高。
為實現本發明的目的，採用如下技術方案：
一種海泡石/纖維素複合材料的製備方法，包括以下步驟：
（1）將海泡石加入到酸溶液中，使海泡石被酸溶液充分浸潤，用水進行洗滌後，乾燥備用；浸潤時間為3-6小時；
（2）將造紙漿液用鹼-脲-水複合體系溶解後，製得纖維素溶液；將經步驟（1）處理後的海泡石加入到纖維素溶液中，充分攪拌至其混合均勻，製得混合液；
（3）將步驟（2）得到的混合液滴加入成型劑中進行成型，製得球形複合材料；球形複合材料經洗滌、脫水、乾燥，得到成品。
步驟（1）所述的酸溶液為鹽酸溶液、硫酸溶液或磷酸溶液中的一種，酸溶液的質量濃度為30%-65%。
步驟（1）所述的海泡石與酸溶液的比例為1g:5mL~1g:20mL。
步驟（2）所述的鹼-脲-水複合體系為氫氧化鈉-尿素-水、氫氧化鋰-尿素-水、氫氧化鈉-硫脲-水、氫氧化鋰-硫脲-水中的一種；其中，鹼-脲-水的質量比為3:5:92~10:20:70。
步驟（2）所述的造紙漿液包括竹漿、木漿、草漿、紙漿和棉漿中的一種。
步驟（2）中造紙漿液與鹼-脲-水複合體系的質量比為2:100~15:100。
步驟（2）中海泡石與造紙漿液的質量比為：1:1~1:10。
步驟（3）所述的成型劑為鹽酸溶液、鹽酸和氯化鈉混合溶液、鹽酸和氯化鉀混合溶液、鹽酸和氯化鈣混合溶液或硫酸溶液中的一種，成型劑的質量濃度為5%-20%。
一種如上所述的製備方法製得的海泡石/纖維素複合材料，其形狀為球形。
本發明的基本原理是利用酸活化海泡石材料，促進海泡石的多孔化，並將充分活化的海泡石材料與完全溶解的纖維素複合，利用複合過程中產生的機械力、熱力及化學力作用的協同效應，使海泡石與纖維素處於活性狀態。體系的反應活性得以提高，促進海泡石與纖維素的穿插包裹，在成型劑的作用下，複合材料的理化性質及結構發生變化，如材料的多孔化與細纖維化，產生新的表面等，因而對於提高複合小球的吸附能力與強度具有重要作用。
本發明與現有技術比較具有以下優點：
本產品結合了纖維素和海泡石這兩種天然材料，將纖維素和海泡石進行簡單的物理複合，無需長時間的水熱反應，製作出成本低，吸附能力出眾且穩定的綠色環境友好型生物吸附劑；且該產品製備時間短，操作過程簡單，可以很好的實現大量的工業化生產，應用於實際生活中的廢水處理。
附圖說明
圖1是海泡石和造紙漿液比例1g:1.33g時製得的複合材料表面掃描電鏡（SEM）圖；
圖2是海泡石和造紙漿液比例1g:1.33g時製得的複合材料斷面掃描電鏡（SEM）圖。
具體實施方式
為進一步公開而不是限制本發明，以下結合實例對本發明作進一步的詳細說明。
實施例1
一種海泡石/纖維素複合材料的製備方法，具體步驟為：
1）稱取2g海泡石，加入到30 mL 30 wt %的鹽酸溶液中，攪拌6小時後，用蒸餾水將其洗成中性，乾燥備用；
2）稱取10g竹漿（硫酸鹽竹漿，購於南平造紙廠）加入100g質量比為 5:5:90的氫氧化鋰/尿素/水溶液中攪拌均勻，使竹漿溶解，製得竹漿溶液；將步驟1）製備的海泡石加入竹漿溶液中，攪拌1小時至混合均勻，製得混合液；
3）將混合液滴加入5wt % 鹽酸/5 wt %氯化鈣水溶液中凝固成型，將成型後的小球用蒸餾水清洗，乾燥、脫水，得到樣品。
所製得的樣品對重金屬Pb2+離子吸附能力達到150 mg/g，該小球可循環使用10次。
實施例2
一種海泡石/纖維素複合材料的製備方法，具體步驟為：
1）稱取4g海泡石，加入到50 mL 50 wt %的硫酸溶液中，攪拌5小時後，用蒸餾水將其洗成中性，乾燥備用；
2）稱取5g木漿（硫酸鹽木漿，購於南平造紙廠）加入100g 質量比為7:12:81的氫氧化鈉/尿素/水的複合溶液中攪拌均勻；將步驟1）製備的海泡石加入木漿溶液中，攪拌1小時至混合均勻，製得混合液；
3）將混合液滴加入10wt%的硫酸溶液中凝固成型，將成型後的小球用蒸餾水清洗，乾燥、脫水，得到樣品。
所製得的樣品對染料孔雀綠的吸附能力達到390 mg/g，該小球可循環使用15次。
實施例3
一種海泡石/纖維素複合材料的製備方法，具體步驟為：
1）稱取10g海泡石，加入到50mL60 wt %的磷酸溶液中，攪拌3小時後，用蒸餾水將其洗成中性，乾燥備用；
2）稱取15g草漿（硫酸鹽草漿，購於南平造紙廠）加入100g 質量比為10:15:75的氫氧化鈉/硫脲/水的複合溶液中攪拌均勻；將步驟1）製備的海泡石加入草漿溶液中，攪拌1小時至混合均勻，製得混合液；
3）將步驟2）的混合液滴加入5 wt %鹽酸/10wt%氯化鉀水溶液中凝固成型，將成型後的小球用蒸餾水清洗，乾燥、脫水，得到樣品。
所製得的樣品對重金屬Cu2+的吸附能力達到180 mg/g，該小球可循環使用10次。
實施例4
一種海泡石/纖維素複合材料的製備方法，具體步驟為：
1）稱取4g海泡石，加入到20mL30 wt%的硫酸溶液中，攪拌5小時後，用蒸餾水將其洗成中性，乾燥備用；
2）稱取10g棉漿（購於南平造紙廠）加入100g 質量比為3:5:92的氫氧化鋰/硫脲/水的複合溶液中攪拌均勻；將步驟1）製備的海泡石加入棉漿溶液中，攪拌1小時至混合均勻，製得混合液；
3）將混合液滴加入10 wt%的鹽酸溶液中凝固成型，將成型後的小球用蒸餾水清洗，乾燥，脫水，得到樣品。
所製得的樣品對染料亞甲基藍的吸附能力達到160 mg/g，該小球可循環使用15次。
圖1和圖2分別為複合小球的表面和斷面，從圖中可以看出，當加入一定量的海泡石之後，小球的表面變得相對粗糙，孔洞增加，可以在複合小球表面及斷面處觀察到嵌入的海泡石針狀結構，這說明纖維素和海泡石之間較好地複合在一起，從而增加了吸附劑的吸附能力。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。