CN105251452A - 一种壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于壳聚糖应用技术领域，特别涉及一种壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂及其制备方法和应用。所述吸附剂由壳聚糖、硅胶、磁种和粘结剂组成，四种成分的质量之比为1:(4-10)：(0.05-0.5)：(0.1-3)；通过共混-喷射沉积成型-中温干燥的方法制备得到。本发明所述壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂具有耐酸性好、机械强度高、固液分离容易、吸附速率快、循环使用性好等优点。吸附剂的制备工艺过程简单、成本低廉且环境友好，可应用于废水中低浓度重金属离子的无害化与资源化。
Description
技术领域
本发明属于壳聚糖应用技术领域，特别涉及一种壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂及其制备方法和应用。
背景技术
目前，随着工业的发展，冶金、电镀、矿山、化工等行业产生大量含重金属的废水。越来越多的重金属进入天然水体和土壤中，并对人体造成危害。水体重金属污染已经成为世界范围内一大亟待解决的环境问题。如何减少和控制重金属污染一直是世界环保领域的热点问题。
废水中重金属离子的种类、含量及其存在形态随不同生产种类而异。目前常用的从水溶液中去除重金属的方法主要包括化学沉淀法、反渗透法、吸附法、膜分离法、混凝法、离子交换法、电化学法等。其中，吸附法是最有效和最广泛使用的方法。与其它吸附材料相比，活性炭和螯合树脂在工业水处理中使用越来越广泛，但活性炭和商业螯合树脂材料昂贵、成本太高。因此，低成本的来源于生物材料的壳聚糖被认为是处理重金属废水的理想材料。
壳聚糖是一种天然的生物高分子化合物，分子中含有很多活泼的能够与重金属离子发生络合的氨基和羟基，可以作为一种高性能的重金属离子捕集剂。但是，由于壳聚糖本身存在的难溶于水、易溶胀、受pH影响过大等缺点，使其必须要进行适当改性后才能更好地应用于废水处理中。硅胶具有较大的比表面积、化学惰性、生物相容性和热稳定性，将壳聚糖负载于硅胶上，生成壳聚糖-硅胶杂化材料，这样不仅可以增加壳聚糖的比表面积和比重，同时也克服了壳聚糖作为吸附剂时存在的其他缺点。同时，吸附剂是磁性的，可直接加入废水池进行大面积的动态吸附，也可用于处理含非磁性固态物质的废水，拓展了壳聚糖基吸附剂的应用范围。
本发明提供一种壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂，耐酸性好、机械强度高、固液分离容易、吸附速率快、可循环使用。该吸附剂的制备工艺过程简单、成本低廉且环境友好，可应用于废水中低浓度重金属离子的无害化与资源化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂及其制备方法。为实现上述目的，采用以下技术方案：
一种壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂，所述吸附剂由壳聚糖、硅胶、磁种和粘结剂组成，四种成分的质量之比为1:(4-10)：(0.05-0.5)：(0.1-3)。
进一步地，所述壳聚糖的脱乙酰度为80-95％，分子量为30-60万。
进一步地，所述硅胶为粉状层析硅胶，粒度为40-100目。
进一步地，所述磁种为磁性稀土材料、天然磁铁矿或磁性铁氧体。
进一步地，所述粘结剂为戊二醛、环氧氯丙烷、四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、KH-560硅烷偶联剂和KH-570硅烷偶联剂中的一种或一种以上。
如上所述的壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂的制备方法，采用液滴发生器喷射沉积成型，包括以下步骤：
(1)原料预处理：配制壳聚糖溶液；将硅胶于100-120℃恒温干燥箱中活化1-2h，磁种细磨至0.043mm以下；
(2)共混：向步骤(1)的壳聚糖溶液中依次加入活化硅胶、磁种和粘结剂，共混2-5h；其中，壳聚糖、活化硅胶、磁种和粘结剂的质量之比为1:(4-10)：(0.05-0.5)：(0.1-3)；
(3)喷射沉积成型：共混液通过液滴发生器喷射成型，于碱液中沉积、老化2h，形成微球；
(4)中温干燥：将成型的微球从碱液中磁分离，去离子水洗涤，并干燥至不含水分，得到壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂。
步骤(1)所述壳聚糖溶液中，溶剂为甲酸水溶液、乙酸水溶液或稀盐酸，溶质壳聚糖的质量百分比为1-5％。
步骤(3)所述碱液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
如上所述的壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂在吸附废水中重金属离子方面的应用。
进一步地，所述重金属离子的浓度为5-500mg/L，所述重金属离子为铜、铅、锌、镍、镉、汞和铬中的一种或一种以上。
进一步地，所述壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂作为固定相充填于吸附柱或吸附塔，直接加入废水池，或在废水出口设置充填吸附剂的格栅，动态吸附重金属离子。
本发明采用壳聚糖作为吸附重金属离子的有机功能分子，活化硅胶作为无机载体，细磨磁性粉作为磁种，辅以粘结剂，通过共混-喷射沉积成型-中温干燥的方法，得到了一种类球形吸附剂。
由于具有吸附作用的壳聚糖材料以薄膜形式均匀负载于硅胶颗粒上，本发明制备的吸附剂吸附速率快，对溶液中重金属离子的吸附仅30min即可达到饱和，这种吸附速率是一般吸附树脂不可比拟的。
本发明制备的壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂，以硅胶作为中心支撑体，具有非常优异的机械强度；具有优良的耐酸性，在强酸溶液中具有很好的稳定性。
本发明制备的壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂，具有较好的再生性和重复使用性。将吸附了重金属离子的吸附剂洗脱、再生，再用去离子水冲洗至中性后中温烘干，即可重复使用。
本发明制备的壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂，可以方便地应用于低浓度含重金属废水的处理，操作简单、不造成二次污染。该磁性吸附剂可作为固定相充填于吸附柱或吸附塔，动态吸附重金属离子，也可以直接加入废水池或在废水出口设置充填吸附剂的格栅，吸附完成后可方便地通过磁选法进行固液分离。
本发明提供的吸附剂的制备方法，原料来源广泛、制备工艺简单、成本低廉、可循环使用且环境友好，可采用磁选法液固分离，易于工业应用，可应用于废水中低浓度重金属离子的无害化与资源化，应用前景广阔，具有重要的经济和环保意义。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂的扫描电镜图。
图2为本发明实施例1制备的壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂的能谱图。
具体实施方式
实施例1
1.壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂制备步骤：
(1)称取4g壳聚糖，向其中加入体积百分浓度为2％的乙酸水溶液100ml，搅拌均匀后静置至壳聚糖全部溶解，得到壳聚糖溶液；称取30g硅胶(60-100目)在110℃恒温干燥箱中活化2h备用；将磁铁矿粉细磨至0.043mm以下，称取0.2g备用；量取四甲氧基硅烷粘结剂2ml备用；
(2)向上述配制好的壳聚糖溶液中依次加入活化的硅胶、磁种、粘结剂，共混4h；
(3)将混合均匀的共混液通过液滴发生器喷射成型，然后转入2mol/L的氢氧化钠溶液中沉积、老化2h；
(4)用磁铁块将成型的吸附剂微球从碱液中分离，再用去离子水洗涤至中性，在50℃条件下干燥至不含水分，得到壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂。
2.吸附剂对Cu2+的静态吸附：
取50ml含Cu2+10.0mg/L的实验室配制水溶液，pH值为5.5，加入2.0g壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂。在转速170rpm、温度25℃的条件下，置于气浴恒温摇床中吸附1h。吸附结束后，用磁铁块分离出吸附了金属离子的吸附剂，吸附后的余液用原子吸收光谱测得Cu2+浓度为0.26mg/L，达到国家排放标准。
实施例2
1.壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂制备步骤：
(1)称取5g壳聚糖，向其中加入体积百分浓度为2％的甲酸水溶液100ml，搅拌均匀后静置至壳聚糖全部溶解，得到壳聚糖溶液；称取20g硅胶(60-100目)在100℃恒温干燥箱中活化1h备用；将磁铁矿粉细磨至0.043mm以下，称取0.4g备用；量取KH-570粘结剂5ml备用；
(2)向上述配制好的壳聚糖溶液中依次加入活化的硅胶、磁种、粘结剂，共混4h；
(3)将混合均匀的共混液通过液滴发生器喷射成型，然后转入2mol/L的氢氧化钠溶液中沉积、老化2h；
(4)用磁铁块将成型的吸附剂微球从碱液中分离，再用去离子水洗涤至中性，在50℃条件下干燥至不含水分，得到壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂。
2.吸附剂对矿山酸性废水的处理：
取50ml矿山酸性废水，其中含Cu2+9.11mg/L、Zn2+250.0mg/L、Pb2+5.0mg/L、Ni2+9.6mg/L，然后加入4.0g壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂。在转速170rpm、温度25℃的条件下，置于气浴恒温摇床中吸附1h。吸附结束后，用磁铁块分离出吸附了金属离子的吸附剂，吸附后的余液用原子吸收光谱测定各离子浓度，测定结果分别为Cu2+0.52mg/L、Zn2+3.34mg/L、Pb2+0.89mg/L、Ni2+2.16mg/L，达到国家排放标准。
实施例3
1.壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂制备步骤：
(1)称取3g壳聚糖，向其中加入体积百分浓度为2％的乙酸水溶液100ml，搅拌均匀后静置至壳聚糖全部溶解，得到壳聚糖溶液；称取20g硅胶(60-100目)在120℃恒温干燥箱中活化1h备用；将磁铁矿粉细磨至0.043mm以下，称取0.3g备用；量取环氧氯丙烷粘结剂4ml备用；
(2)向上述配制好的壳聚糖溶液中依次加入活化的硅胶、磁种、粘结剂，共混4h；
(3)将混合均匀的共混液通过液滴发生器喷射成型，然后转入2mol/L的氢氧化钠溶液中沉积、老化2h；
(4)用磁铁块将成型的吸附剂微球从碱液中分离，再用去离子水洗涤至中性，在50℃条件下干燥至不含水分，得到壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂。
2.吸附剂对Zn2+的吸附：
取五份含Zn2+为325.0mg/L的实验室配制水溶液50ml，加入1.0g壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂。在转速170rpm、温度25℃的条件下，置于气浴恒温摇床中分别吸附10min、20min、30min、1h、4h。吸附结束后，用磁铁块分离出吸附了金属离子的吸附剂，吸附后的余液用原子吸收光谱测Zn2+浓度，计算各条件下吸附剂的吸附容量。试验结果为：在吸附时间分别为10min、20min、30min、1h、4h的条件下，平衡吸附容量分别为9.64mg/g、10.08mg/g、10.48mg/g、10.48mg/g、10.48mg/g。结果表明该吸附剂对溶液中Zn离子的吸附仅30min即可达到饱和。
Claims (9)
1.一种壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂，其特征在于，所述吸附剂由壳聚糖、硅胶、磁种和粘结剂组成，四种成分的质量之比为1:(4-10)：(0.05-0.5)：(0.1-3)。
2.根据权利要求1所述的壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂，其特征在于，所述壳聚糖的脱乙酰度为80-95％，分子量为30-60万；所述硅胶为粉状层析硅胶，粒度为40-100目。
3.根据权利要求1所述的壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂，其特征在于，所述磁种为磁性稀土材料、天然磁铁矿或磁性铁氧体。
4.根据权利要求1所述的壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂，其特征在于，所述粘结剂为戊二醛、环氧氯丙烷、四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、KH-560硅烷偶联剂和KH-570硅烷偶联剂中的一种或一种以上。
5.根据权利要求1-4任一项所述的壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂的制备方法，其特征在于，采用液滴发生器喷射沉积成型，包括以下步骤：
(1)原料预处理：配制壳聚糖溶液；将硅胶于100-120℃恒温干燥箱中活化1-2h，磁种细磨至0.043mm以下；
(2)共混：向步骤(1)的壳聚糖溶液中依次加入活化硅胶、磁种和粘结剂，共混2-5h；其中，壳聚糖、活化硅胶、磁种和粘结剂的质量之比为1:(4-10)：(0.05-0.5)：(0.1-3)；
(3)喷射沉积成型：共混液通过液滴发生器喷射成型，于碱液中沉积、老化2h，形成微球；
(4)中温干燥：将成型的微球从碱液中磁分离，去离子水洗涤，并干燥至不含水分，得到壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述壳聚糖溶液中，溶剂为甲酸水溶液、乙酸水溶液或稀盐酸，溶质壳聚糖的质量百分比为1-5％。
7.根据权利要求1-4任一项所述的壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂在吸附废水中重金属离子方面的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述重金属离子的浓度为5-500mg/L，所述重金属离子为铜、铅、锌、镍、镉、汞和铬中的一种或一种以上。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述壳聚糖-硅胶杂化磁性吸附剂作为固定相充填于吸附柱或吸附塔，直接加入废水池，或在废水出口设置充填吸附剂的格栅，动态吸附重金属离子。
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