[发明专利]一种胺基改性二氧化硅气凝胶及其在重金属离子吸附剂中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种离子吸附剂及其应用，尤其涉及一种胺基改性二氧化硅气凝胶及其在重金属离子吸附剂中的应用。

背景技术

水体、土壤中重金属的危害一直是国际环境学界关注的研究课题。重金属在水中、土壤中不能被分解，且易形成食物链传递，重金属进入人体后易造成积累和中毒。与其他毒素结合可生成毒性更大的有机物，如震惊世界的水俣病和骨痛病就是由于含汞和含镉废水污染所致。传统的去除水中重金属离子方法有化学沉淀法、氧化还原法、电解法、蒸发浓缩法、离子交换树脂法等，但这些方法存在投资大、运行成本高、操作管理麻烦、产生二次污染等问题。近年来吸附法处理重金属废水具有高效、经济、简便、选择性好等优点已引起环保界的广泛关注。当前主要的吸附剂为活性炭及介孔分子筛等。这类材料具有较大的比表面积。

SiO₂气凝胶是一种新型的结构可控的多孔材料，其具有大比表面积（最高达1000m²/g）、高空隙率（最高可达90%以上）、低密度（最低达0.02g/cm³）等特点，已经在多个研究领域得到了广泛的应用。目前SiO₂气凝胶在吸附领域主要使用疏水改性剂对气凝胶表面进行疏水改性，应用在有机气体或溶剂的吸附领域，吸附效率及吸附容量为等同质量活性的10倍以上，且吸附循环性良好。疏水改性的制备方法主要有两种方法，后期改性及原位聚合，制备工艺已较为成熟。

发明内容

本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供一种胺基改性二氧化硅气凝胶，本发明的另一目的是提供上述的一种胺基改性二氧化硅气凝胶在重金属离子吸附剂中的应用。本发明所提供的气凝胶，其特征是纳米尺寸孔径、多孔、比表面积高等特点，对吸附重金属离子有十分显著的效果。

本发明的技术方案为：一种胺基改性二氧化硅气凝胶，其特征在于由以下方法制备得到，其具体步骤如下：

（1）制备SiO₂湿凝胶

将硅源、醇、水及催化剂按摩尔比为1:（10～26）:（2～5）:（0.0004～0.001）混合,并搅拌水解0.5～2小时,水解温度为25～65℃,调节溶液pH值为6～8，静置获得SiO₂湿凝胶；

（2）胺基改性溶液的配制

按胺基硅烷、醇及水按体积比为1：（2～12）：（0～0.5）混合得胺基改性溶液；

（3）胺基改性SiO₂湿凝胶的制备

将步骤（1）制备得到的SiO₂溶胶静置凝胶，在凝胶点后1～7小时加入步骤（2）所配制的胺基溶液；其中胺基改性溶液与SiO₂湿凝胶体积比为2～5：1；在25℃～70℃之间改性2～10天；倒出用于改性SiO₂湿凝胶所用的胺基改性剂溶液，加入无水乙醇溶液进行溶剂置换，置换温度为25℃～70℃；直至上层置换液pH值为6～8，由此得到胺基改性SiO₂湿凝胶；

（4）胺基改性SiO₂气凝胶的干燥

将步骤（3）中获得的胺基改性SiO₂湿凝胶采用CO₂超临界干燥，得到胺基改性SiO₂气凝胶材料。

优选所述硅源为正硅酸四乙酯或正硅酸四甲酯；优选步骤（1）和（2）中的醇均为乙醇或甲醇；步骤（1）中所述的催化剂为HCl；步骤（2）中所述的胺基硅烷为三氨丙基三乙氧基硅烷或三氨丙基三甲氧基硅烷。

优选步骤（4）中所述的CO₂超临界干燥用CO₂气体保护，压力为8MPa～12MPa；CO₂超临界干燥温度为45～50℃；干燥时间为2～3天。

本发明还提供了上述的胺基改性二氧化硅气凝胶在重金属离子吸附剂中的应用。

上述的应用中：所述重金属离子吸附剂一般用于pH值4-12环境下对如下金属离子的吸附、去除：

重金属阳离子：Ni²⁺、Pb²⁺、Hg²⁺、Hg⁺、Cr³⁺、Cd²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Ag⁺、Co³⁺、Co²⁺以及铑、铂、钯、金、铱和钌等贵金属离子：