一種馬來醯化木質纖維室溫製備重金屬離子吸附劑的方法
2023-12-05 19:41:06 1
一種馬來醯化木質纖維室溫製備重金屬離子吸附劑的方法
【專利摘要】本發明公開了一種馬來醯化木質纖維室溫製備重金屬離子吸附劑的方法，屬於生物質化學和可再生資源利用領域。本發明的方法包括：將球磨的木質纖維粉末完全溶解於室溫溶劑體系，在室溫下加入馬來酸酐進行反應，反應完成後經沉澱洗滌凍幹，得到木質纖維衍生物重金屬離子吸附劑。本發明採用的吸附劑製備方法在木質纖維溶解和改性過程均採用常溫處理，無需加熱，降低了設備要求和能耗，製備的吸附劑能夠有效吸附溶液中的重金屬離子，對木質纖維生物質等可再生資源的開發利用具有重要的科學價值和實踐意義。
【專利說明】一種馬來醯化木質纖維室溫製備重金屬離子吸附劑的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於生物質化學和可再生資源利用領域，尤其涉及一種馬來醯化木質纖維室溫製備重金屬離子吸附劑的方法。
【背景技術】
[0002]木質纖維具有產量大、價格低、可再生、再生周期短、可生物降解、環境友好等諸多優點。隨著工業社會的發展，石油等不可再生資源日益短缺，同時工業發展引發的環境汙染問題也日益受到關注，由木質纖維等可再生資源轉化獲得高熱值能源、新型工業原料、精細化學品、食品、藥物及飼料等，已經不可避免地成為今後發展的趨勢，很多國家特別是發達國家已經把木質纖維等可再生資源的轉化利用列為經濟和社會發展的重大戰略。
[0003]近幾十年來，重金屬汙染負荷的與日俱增和危害性引起了世界各國環境學者的關注。電鍍、選礦和製革等許多工業排放的廢水、廢氣和廢渣常常會導致水環境的重金屬汙染。重金屬離子具有兩個顯著的特性:一是化學性質穩定，不能被微生物降解，因而長期有害；另一個是極易通過生物鏈成千上萬倍的富集，對生物和人體健康造成嚴重威脅。有些重金屬離子還會在微生物作用下轉化為毒性更強的有機物，如汞可在微生物作用下轉化為甲基汞，20世紀50年代日本發生的震驚世界的水俁病就是由甲基汞汙染引起的。可降解重金屬離子吸附劑的研製一直都是環境治理的重點問題。
[0004]木質纖維必將成為未來最重要的工業原料之一。儘管木質纖維具有一定的重金屬離子吸附能力，但活性組分含量較少，吸附能力較差。木質纖維含有大量的羥基，這些羥基易於化學改性，通過化學改性可在木質纖維中引入金屬吸附能力強的活性基團，如羧基、巰基、磷酸根、硫酸根、胺基等，製備具有可生物降解的重金屬離子吸附劑。目前生物質基重金屬離子吸附劑大多採用木質纖維單一組分，需要預先對木質纖維進行組分分離，且製備過程採用較高的溫度，對設備和能源要求較高。
[0005]目前，尚未見有木質纖維室溫均相改性製備重金屬離子吸附劑的相關研究報導。
【發明內容】
[0006]為克服現有技術的缺點和不足，本發明的目的在於提供一種馬來醯化木質纖維室溫製備重金屬離子吸附劑的方法，該方法可在室溫均相條件下製備木質纖維重金屬離子吸附劑。
[0007]本發明的目的通過下述技術方案實現:一種馬來醯化木質纖維室溫製備重金屬離子吸附劑的方法，包括以下工藝步驟:
[0008]( I)將乾燥的木質纖維球磨，得到木質纖維粉末；
[0009](2)將步驟(I)製備的木質纖維粉末加入溶劑體系，在常溫下攪拌3?8h，得到木質纖維溶液；
[0010](3)將馬來酸酐加入步驟(2)製備的木質纖維溶液，在隔絕潮氣的乾燥密閉容器中常溫攪拌0.5?5h，使馬來酸酐與木質纖維在溶劑體系中發生反應，得反應混合液，其中馬來酸酐與木質纖維質量比為(1:2)?(6:1);
[0011](4)將步驟(3)所得反應混合液倒入30?50倍體積的再生試劑中，充分攪拌使產物沉澱出來，分離並洗滌，經冷凍乾燥得到的木質纖維衍生物重金屬離子吸附劑。
[0012]步驟(I)中所述木質纖維為禾本科木質纖維原料或木材木質纖維原料中的一種；其中，所述的禾本科木質纖維原料為蔗渣或秸杆中的一種；
[0013]步驟(2)中所述溶劑體系為二甲基亞碸/1-甲基咪唑(DMS0/匪I)溶劑體系或二甲基亞碸/氯化鋰(DMSO/LiCl)溶劑體系中的一種；其中，所述的二甲基亞碸/1-甲基咪唑溶劑體系中DMSO與匪I體積比優選為2:1，所述的二甲基亞碸/氯化鋰溶劑體系中DMSO與LiCl重量比優選為25:2 ；
[0014]步驟(2)中所述的木質纖維粉末與溶劑體系的質量體積比(mg/mL)為(20:1)?(50:1)；
[0015]步驟(4)中所述的再生試劑為乙醇、異丙醇或水中的一種；
[0016]步驟(4)中所述的分離為過濾分離或離心分離中的一種；所述的過濾分離優選為經0.2 μ m膜過濾,所述的離心分離優選為離心轉速IOOOOrpm,離心時間30min ；
[0017]步驟(4)中所述的洗滌優選為用乙醇、異丙醇或水中的一種進行洗滌；
[0018]步驟(4)中所述的冷凍乾燥的冷凍溫度優選為_40°C。
[0019]一種重金屬離子吸附劑由上述方法製備獲得。
[0020]本發明採用的吸附劑製備方法在木質纖維溶解、改性及重金屬吸附過程均採用常溫處理，無需加熱，降低了設備要求和能耗；選用木質纖維為原料製備可降解生物質基重金屬離子吸附劑，可以實現木質纖維的高效利用，為工業生產生物質新材料提供了理論依據和技術支撐。
[0021]本發明相對於現有技術具有如下的優點及效果:
[0022]1.本發明採用的馬來醯化木質纖維室溫製備重金屬離子吸附劑的方法，無需對木質纖維進行組分分離，簡化了工藝流暢，降低了生產成本，實現了木質纖維全組分綜合利用；
[0023]2.本發明採用的馬來醯化木質纖維室溫製備重金屬離子吸附劑的方法，包括溶解、衍生化和金屬離子吸附均在室溫下進行，降低了設備要求和能耗；
[0024]3.本發明採用的馬來醯化木質纖維室溫製備重金屬離子吸附劑的方法，在均相條件下進行，反應易於進行，產物性質均一穩定；
[0025]4.本發明採用的馬來醯化木質纖維室溫製備重金屬離子吸附劑的方法，以木質纖維為原料，對可再生生物質資源的開發利用提供了技術支持。
【具體實施方式】
[0026]下面結合實施例對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
[0027]實施例1
[0028]本實施例的木質纖維採用蔗渣，其具體過程如下所示:
[0029]( I)將乾燥的蔗渣球磨，得到蔗渣粉末；
[0030](2)將IOOmg蔗渣粉末加入3mL 二甲基亞碸/1-甲基咪唑(DMS0/NMI，DMS0與NMI體積比為2:1)溶劑體系，在常溫下攪拌3h，得到蔗渣溶液；[0031](3)將50mg馬來酸酐加入蔗渣溶液，在隔絕潮氣的乾燥密閉容器中常溫攪拌3h，使馬來酸酐與蔗渣在溶劑體系中發生反應；
[0032](4)反應結束後，倒入90mL異丙醇中，充分攪拌30min使產物沉澱出來，經0.2 μ m膜過濾，收集並採用異丙醇洗滌，-40°C冷凍乾燥後得到蔗渣衍生物重金屬離子吸附劑125.4mg。
[0033]將製備所得重金屬離子吸附劑用於重金屬吸附實驗:取未改性蔗渣和蔗渣衍生物50mg分別加入50mL含100mg/L重金屬離子Pb2+、Cu2+和Cd2+的溶液中，攪拌30min,通過過濾進行固液分離，採用蔗渣衍生物吸附後的溶液中Pb2+、Cu2+和Cd2+重金屬離子的濃度分別降為10.69mg/L、24.58mg/L和37.02mg/L,而未改性蔗渣吸附後的溶液中Pb2+、Cu2+和Cd2+重金屬離子的濃度分別為92.22mg/L、79.21mg/L和89.17mg/L，表明製備的蔗渣衍生物重金屬離子吸附能力顯著提高。
[0034]實施例2
[0035]本實施例的木質纖維採用稻草杆，其具體過程如下所示:
[0036](I)將乾燥的稻草杆球磨，得到稻草杆粉末；
[0037](2)將IOOmg稻草杆粉末加入2mL 二甲基亞碸/1-甲基咪唑(DMSO/NMI，DMSO與匪I體積比為2:1)溶劑體系，在常溫下攪拌8h，得到稻草杆溶液；
[0038](3)將600mg馬來酸酐加入稻草杆溶液，在隔絕潮氣的乾燥密閉容器中常溫攪拌30min,使馬來酸酐與稻草杆在溶劑體系中發生反應；
[0039](4)反應結束後，倒入IOOmL乙醇中，充分攪拌30min使產物沉澱出來，經0.2 μ m膜過濾，收集並採用乙醇洗滌，-40°C冷凍乾燥後得到稻草杆衍生物重金屬離子吸附劑160.8mg ；
[0040]將製備所得稻草杆衍生物重金屬離子吸附劑用於重金屬吸附實驗:取未改性稻草杆和稻草杆衍生物50mg分別加入50mL含100mg/L重金屬離子Pb2+、Cu2+和Cd2+的溶液中，攪拌30min，通過過濾進行固液分離，採用稻草杆衍生物吸附後的溶液中Pb2+、Cu2+和Cd2+重金屬離子的濃度分別降為3.98mg/L、2.26mg/L和6.54mg/L，而未改性稻草杆吸附後的溶液中Pb2+、Cu2+和Cd2+重金屬離子的濃度分別為94.28mg/L、87.36mg/L和93.42mg/L，表明製備的稻草杆衍生物重金屬離子吸附能力顯著提高。
[0041]實施例3
[0042]本實施例的木質纖維採用桉木，其具體過程如下所示:
[0043]( I)將乾燥的桉木球磨，得到桉木粉末；
[0044](2)將IOOmg桉木粉末加入5mL 二甲基亞碸/氯化鋰(DMSO/LiCl，DMSO與LiCl重量比為25:2)溶劑體系，在常溫下攪拌5h，得到桉木溶液；
[0045](3)將250mg馬來酸酐加入桉木溶液，在隔絕潮氣的乾燥密閉容器中常溫攪拌5h，使馬來酸酐與桉木在溶劑體系中發生反應；
[0046](4)反應結束後，倒入200mL水中，充分攪拌30min使產物沉澱出來，經IOOOOrpm離心30min收集固體並採用水洗滌，_40°C冷凍乾燥後得到桉木衍生物，稱量得到桉木衍生物重金屬離子吸附劑137.5mg ；
[0047]將製備所得桉木衍生物重金屬離子吸附劑用於重金屬吸附實驗:取未改性桉木和桉木衍生物50mg分別加入50mL含100mg/L重金屬離子Pb2+、Cu2+和Cd2+的溶液中，攪拌30min，通過離心進行固液分離，採用桉木衍生物吸附後的溶液中Pb2+、Cu2+和Cd2+重金屬離子的濃度分別降為8.47mg/L, 20.20mg/L和29.36mg/L,而未改性桉木吸附後的溶液中Pb2+、Cu2+和Cd2+重金屬離子的濃度分別為96.84mg/L、90.13mg/L和95.78mg/L，表明製備的桉木衍生物重金屬離子吸附能力顯著提高。
[0048]上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種馬來醯化木質纖維室溫製備重金屬離子吸附劑的方法，其特徵在於包括以下工藝步驟: (1)將乾燥的木質纖維球磨，得到木質纖維粉末； (2)將步驟(I)製備的木質纖維粉末加入溶劑體系，在常溫下攪拌3?8h，得到木質纖維溶液； (3)將馬來酸酐加入步驟(2)製備的木質纖維溶液，在隔絕潮氣的乾燥密閉容器中常溫攪拌0.5?5h，得反應混合液，其中馬來酸酐與木質纖維質量比為(1:2)?(6:1); (4)將步驟(3)所得反應混合液倒入30?50倍體積的再生試劑中，充分攪拌使產物沉澱出來，分離並洗滌，經冷凍乾燥得到的木質纖維衍生物重金屬離子吸附劑。
2.根據權利要求1所述的馬來醯化木質纖維室溫製備重金屬離子吸附劑的方法，其特徵在於:步驟(I)中所述木質纖維為禾本科木質纖維原料或木材木質纖維原料中的一種；其中，所述的禾本科木質纖維原料為蔗渣或秸杆中的一種。
3.根據權利要求1所述的馬來醯化木質纖維室溫製備重金屬離子吸附劑的方法，其特徵在於:步驟(2)中所述溶劑體系為二甲基亞碸/1-甲基咪唑溶劑體系或二甲基亞碸/氯化鋰溶劑體系中的一種；所述的二甲基亞碸/1-甲基咪唑溶劑體系中二甲基亞碸與1-甲基咪唑的體積比為2:1，所述的二甲基亞碸/氯化鋰溶劑體系中二甲基亞碸與氯化鋰的重量比為25:2。
4.根據權利要求1所述的馬來醯化木質纖維室溫製備重金屬離子吸附劑的方法，其特徵在於:步驟(2)中所述的木質纖維粉末與溶劑體系的質量體積比為(20mg:1mL)?(50mg: 1mT,) η
5.根據權利要求1所述的馬來醯化木質纖維室溫製備重金屬離子吸附劑的方法，其特徵在於:步驟(4)中所述的再生試劑為乙醇、異丙醇或水中的一種。
6.根據權利要求1所述的馬來醯化木質纖維室溫製備重金屬離子吸附劑的方法，其特徵在於:步驟(4)中所述的分離為過濾分離或離心分離中的一種；所述的過濾分離為經0.2 μ m膜過濾,所述的離心分離為IOOOOrpm離心30min。
7.根據權利要求1所述的馬來醯化木質纖維室溫製備重金屬離子吸附劑的方法，其特徵在於:步驟(4)中所述的洗滌為用乙醇、異丙醇或水中的一種進行洗滌。
8.根據權利要求1所述的馬來醯化木質纖維室溫製備重金屬離子吸附劑的方法，其特徵在於:步驟(4)中所述的冷凍乾燥的冷凍溫度為_40°C。
9.一種重金屬離子吸附劑由權利要求1?8任一項所述的方法製備獲得。
【文檔編號】B01J20/30GK103506087SQ201310451820
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】張愛萍, 謝君 申請人:華南農業大學