一种生物质基重金属多孔螯合纤维及其制备方法、应用和应用方法

摘要

本发明涉及重金属捕集的环境治理领域，具体涉及一种生物质基重金属多孔螯合纤维及其制备方法、应用和应用方法。制备方法包括（1）交联纤维素的制备步骤（2）多孔纤维的制备步骤和（3）多孔纤维的功能化步骤，具有简单和污染少的优点，制得的螯合纤维，不仅能脱除重金属离子，而且稳定性好。应用方法包括：将所述生物质基重金属多孔螯合纤维直接投放于含有重金属离子的溶液中，调节pH值至8‑10，浸泡一段时间，以使得重金属离子吸附于所述生物质基重金属多孔螯合纤维上，过滤取出所述生物质基重金属多孔螯合纤维，从而重金属离子脱除效率高达98%以上，螯合容量高达（1‑4mol/g），大大提高了重金属离子的脱除效率。

说明书

技术领域

本发明涉及重金属捕集的环境治理领域，具体涉及一种生物质基重金属多孔螯合纤维及其制备方法、应用和应用方法。

背景技术

农林废弃物纤维是农业和林业生产与加工过程中产生的副产物，其具有数量大、可再生、可生物降解和环境友好等特点，是一种重要的生物质资源，常见的农林废弃物纤维主要为树皮、果壳、锯末、秸秆和蔗渣。

目前，农林废弃物主要用于直接燃烧产热，此外，还有一部分用作饲料、肥料和制浆造纸工业原料，但上述领域的利用量不足农林废弃物总利用量的50%，其余大部分被弃置于自然环境中或露天焚烧，既造成对生态环境的污染，又造成资源的极大浪费，因此，农林废弃物的再利用显得尤为重要。

另一方面，水体中的重金属离子污染严重威胁着人类健康，成为世界面临的环境难题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种生物质基重金属多孔螯合纤维及其制备方法、应用和应用方法。该方法制得的生物质基重金属多孔螯合纤维，不仅能脱除水体中的重金属离子，而且稳定性好；将该生物质基重金属多孔螯合纤维应用于脱除水体中的重金属离子，不仅实现了农林废弃物资源化再利用，而且实现了对水体中的重金属离子的高效率脱除；采用该应用方法，不仅提高了重金属离子的脱除效率，而且便于脱除后的重金属离子回收利用，也便于脱除重金属离子的生物质基重金属多孔螯合纤维循环再利用。

为了实现上述目的，本发明提供一种生物质基重金属多孔螯合纤维的制备方法，包括以下步骤：

（1）交联纤维素的制备步骤：将1-40份生物质基纤维、10-300份氯化钠溶液、1-20份交联剂混合，调节pH值至8以上，反应，过滤，得到交联的纤维素；

（2）多孔纤维的制备步骤：将步骤（1）制备的交联的纤维素1-10份加入50-300份水中，恒温25- 85^oC，搅拌下加入5-50份活性单体、1-5%活性单体质量的自由基引发剂、5-50份发泡剂和5-20份分散剂，反应，过滤，得到多孔纤维；

（3）多孔纤维的功能化步骤：将步骤（2）制备的多孔纤维置于带有重金属螯合功能基团的处理液中，20-50^oC浸泡一段时间，过滤，得到生物质基重金属多孔螯合纤维；

所述步骤（1）~（3）中的份数均为重量份数。

优选的，所述生物质基纤维预先用酸或碱处理过。

优选的，所述生物质基纤维预先处理成粉末状或颗粒状。

优选的，所述生物质基纤维选自甘蔗渣纤维、木薯渣纤维、椰壳纤维、锯木纤维、秸秆纤维、稻壳纤维中的至少一种。

优选的，所述处理液的重金属螯合功能基团选自胺基、巯基、羧基、羟基中的至少一种。

优选的，所述处理液的重金属螯合功能基团选自乙二胺、己二胺、三乙烯四胺、巯基乙酸、巯基硅氧烷、聚乙烯亚胺中的至少一种。

优选的，所述交联剂选自环氧氯丙烷、环氧氯丁烷、乙二醛、丙二醛、戊二醛、己二醛、邻苯二醛的至少一种。

优选的，所述活性单体选自丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、丙烯腈、丙烯酰胺、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酸甘油酯、甲基丙烯酸羟丙磺酸盐中的至少一种。

优选的，所述自由基引发剂选自过氧化苯甲酰、偶氮二异丁腈、KMNO₄/H₂SO₄、过硫酸钠、过硫酸钾、Fe²⁺/过硫酸钠、Fe²⁺/过硫酸钾中的至少一种。

优选的，所述发泡剂选自正己烷、正庚烷中的至少一种。

优选的，所述分散剂选自吐温80、吐温60、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、山梨糖醇酐单硬脂酸酯、失水山梨糖醇脂肪酸酯中的至少一种。

本发明还提供一种生物质基重金属多孔螯合纤维，所述生物质基重金属多孔螯合纤维采用上述方法制备而成。

另外，本发明还提供一种生物质基重金属多孔螯合纤维在脱除重金属离子上的应用。

最后，本发明还提供一种生物质基重金属多孔螯合纤维在脱除重金属离子上的应用方法，该应用方法包括：将所述生物质基重金属多孔螯合纤维直接投放于含有重金属离子的溶液中，调节pH值至8-10，浸泡一段时间，以使得重金属离子吸附于所述生物质基重金属多孔螯合纤维，过滤取出所述生物质基重金属多孔螯合纤维，即能脱除该溶液中的重金属离子。

优选的，所述应用方法中：过滤取出所述生物质基重金属多孔螯合纤维后，用酸性溶液将所述生物质基重金属多孔螯合纤维上的重金属离子洗脱出去，将洗脱后的所述生物质基重金属多孔螯合纤维再置于所述废水溶液中，以进行二次脱除。

本发明一种生物质基重金属多孔螯合纤维的制备机理如下：通过表面改性方式将具有重金属螯合功能的基团化学键合于纤维表面，并通过发泡作用增加纤维表面吸附基团附近比表面积，从而取得持久、强有效的重金属选择吸附脱除效果。

本发明一种生物质基重金属多孔螯合纤维应用于脱除重金属离子的作用机理如下：制备得到的生物质基重金属多孔螯合纤维具有较强的吸附能力，且该吸附为选择性吸附重金属离子，即只吸附重金属离子，尤其对于低浓度重金属离子，在深度脱除方面具有独特优势。

本发明的有益效果是：

本发明一种生物质基重金属多孔螯合纤维的制备方法，具有简单和污染少的优点。

本发明一种生物质基重金属多孔螯合纤维，不仅能脱除重金属离子，而且稳定性好。

本发明一种生物质基重金属多孔螯合纤维在脱除重金属离子上的应用，采用廉价农林废弃物去脱除重金属离子，不仅实现了对重金属离子的高效率脱除，从而降低重金属废水处理成本，而且实现了农林废弃物资源化再利用，从而提高了农林废弃物的经济价值，此外，废弃的生物质基重金属多孔螯合纤维可环境降解，可以缓解大量非降解合成类重金属捕捉剂废弃物造成的二次污染。

本发明一种生物质基重金属多孔螯合纤维在脱除重金属离子上的应用方法，重金属离子脱除效率高达98%以上，螯合容量高达（1-4mol/g），大大提高了重金属离子的脱除效率，另外，与现有技术中“脱除后的重金属离子仍处于溶液中”相比，本发明所述应用方法，由于脱除后的重金属离子吸附在生物质基重金属多孔螯合纤维中，重金属离子很容易被洗脱出来，便于重金属离子的回收，而洗脱掉重金属离子的生物质基重金属多孔螯合纤维能循环再利用。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明实施例的生物质基重金属多孔螯合纤维的制备方法, 包括以下步骤：

（1）交联纤维素的制备步骤：将30g木薯渣纤维粉末、200ml 1%wt氯化钠溶液、5g环氧氯丙烷混合，调节pH值至10，在45 ℃下搅拌反应24 h，过滤、水洗及干燥，得到交联的纤维素；

（2）多孔纤维的制备步骤：将步骤（1）制备的交联纤维素10g加入100ml水中，恒温80℃，搅拌下加入20g丙烯酸甲酯、4g过氧化苯甲酰、10ml正己烷和5ml吐温80，80^oC温度反应6h小时，过滤、水洗及干燥，得到多孔纤维；

（3）多孔纤维的功能化步骤：将步骤（2）制备的多孔纤维置于20%wt乙二胺溶液中，20^oC震荡浸泡24小时，过滤、水洗及干燥，得到生物质基重金属多孔螯合纤维。

实施例2

本发明实施例的生物质基重金属多孔螯合纤维的制备方法, 包括以下步骤：

（1）交联纤维素的制备步骤：将50g甘蔗渣纤维粉末、300ml 1%wt氯化钠溶液、10g环氧氯丁烷混匀，调节pH值至10，在45℃下搅拌反应24 h，过滤、水洗及干燥，得到交联纤维素；

（2）多孔纤维的制备步骤：将步骤（1）制备的交联纤维素10g加入100ml水中，恒温80℃，搅拌下加入20g甲基丙烯酸甘油酯、2g过氧化苯甲酰、20ml正庚烷和20ml 山梨糖醇酐单硬脂酸酯，75^oC温度反应10h小时，过滤、水洗及干燥，得到多孔纤维；

（3）多孔纤维的功能化步骤：将步骤（2）制备的多孔纤维置于5%wt巯基乙酸溶液中，30^oC震荡浸泡12小时，过滤、水洗及干燥，得到生物质基重金属多孔螯合纤维。

实施例3

本发明实施例的生物质基重金属多孔螯合纤维的制备方法, 包括以下步骤：

（1）交联的纤维素的制备步骤：将100g椰壳纤维粉末、300ml 1%wt氯化钠溶液、7g戊二醛混匀，调节pH值至10，在45℃下搅拌反应24 h，过滤、水洗及干燥，得到交联的纤维素；

（2）多孔纤维的制备步骤：将步骤（1）制备的交联的纤维素10g加入100ml水中，恒温30℃，搅拌下加入20g丙烯腈、4g Fe²⁺/过硫酸钠、50ml正己烷和15ml十二烷基硫酸钠，30℃温度反应24h小时，过滤、水洗及干燥，得到多孔纤维；

（3）多孔纤维的功能化步骤：将步骤（2）制备的多孔纤维置于10%wt巯基硅氧烷溶液中，50^oC震荡浸泡10小时，过滤、水洗及干燥，得到生物质基重金属多孔螯合纤维。

实施例4

本发明实施例的生物质基重金属多孔螯合纤维的制备方法, 包括以下步骤：

（1）交联的纤维素的制备步骤：将100g锯木纤维粉末、300ml 1%wt氯化钠溶液、5g乙二醛混匀，调节pH值至8，在45 ℃下搅拌反应24 h，过滤、水洗及干燥，得到交联的纤维素；

（2）多孔纤维的制备步骤：将步骤（1）制备的交联纤维素10g加入100ml水中，恒温80℃，搅拌下加入20g甲基丙烯酸羟丙磺酸盐、4g偶氮二异丁腈、15ml正己烷和20ml十二烷基苯磺酸钠，80^oC温度反应6h小时，过滤、水洗及干燥，得到多孔纤维；

（3）多孔纤维的功能化步骤：将步骤（2）制备的多孔纤维置于15%wt聚乙烯亚胺溶液中，20℃震荡浸泡24小时，过滤、水洗及干燥，得到生物质基重金属多孔螯合纤维。

实施例5

本发明实施例的生物质基重金属多孔螯合纤维的制备方法, 包括以下步骤：

（1）交联纤维素的制备步骤：将100g秸秆纤维粉末、300ml 1%wt氯化钠溶液、5g邻苯二醛混匀，调节pH值至8，在45 ℃下搅拌反应24 h，过滤、水洗及干燥，得到交联的纤维素；

（2）多孔纤维的制备步骤：将步骤（1）制备的交联的纤维素10g加入100ml水中，恒温80℃，搅拌下加入20g丙烯酰胺、4g KMNO₄/H₂SO₄、25ml正庚烷和8ml吐温80，60℃温度反应8h小时，过滤、水洗及干燥，得到多孔纤维；

（3）多孔纤维的功能化步骤：将步骤（2）制备的多孔纤维置于10%wt巯基硅氧烷溶液中，25℃震荡浸泡18小时，过滤、水洗及干燥，得到生物质基重金属多孔螯合纤维。

实施例6

本发明实施例的生物质基重金属多孔螯合纤维的制备方法, 包括以下步骤：

（1）交联的纤维素的制备步骤：将100g稻壳纤维粉末、300ml 1%wt氯化钠溶液、5g己二醛混匀，调节pH值至8，在45℃下搅拌反应24 h，过滤、水洗及干燥，得到交联的纤维素；

（2）多孔纤维的制备步骤：将步骤（1）制备的交联的纤维素10g加入100ml水中，恒温80℃，搅拌下加入20g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、4g 过氧化苯甲酰、35ml正庚烷和20ml失水山梨糖醇脂肪酸酯，80℃温度反应8h小时，过滤、水洗及干燥，得到多孔纤维；

（3）多孔纤维的功能化步骤：将步骤（2）制备的多孔纤维置于8%wt巯基乙酸溶液中，25^oC震荡浸泡24小时，过滤、水洗及干燥，得到生物质基重金属多孔螯合纤维。

实施例7

采用实施例1-6所述制备方法制得的生物质基重金属多孔螯合纤维可应用于脱除重金属离子，应用方法为：将所述生物质基重金属多孔螯合纤维直接投放于含有重金属离子的溶液中，调节pH值至8-10，浸泡一段时间，以使得重金属离子吸附于所述生物质基重金属多孔螯合纤维，过滤取出所述生物质基重金属多孔螯合纤维，即能脱除该溶液中的重金属离子；过滤取出所述生物质基重金属多孔螯合纤维后，用酸性溶液将所述生物质基重金属多孔螯合纤维上的重金属离子洗脱再生，将洗脱后的所述生物质基重金属多孔螯合纤维再置于所述废水溶液中，以进行二次脱除。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。