[发明专利]一种制备去除废水中二价镉的纳米复合凝胶的方法

说明书

本发明公开了一种制备去除废水中二价镉的纳米复合凝胶的方法：以羟乙基壳聚糖和斜发沸石为原料，通过自由基接枝共聚反应将丙烯酰胺接枝到羟乙基壳聚糖高分子上，并与斜发沸石混合，将生成物清洗、干燥后，进行球磨研磨，得到纳米级斜发沸石/羟乙基壳聚糖接枝共聚物复合凝胶；通过该方法得到的纳米复合凝胶吸附剂呈灰白色粉末状，高效去除废水中的二价镉离子，且对环境无污染，绿色环保，本发明方法不仅可提高壳聚糖衍生物、斜发沸石等天然高分子的综合利用效率，而且为重金属废水中Cd²⁺高效吸附脱除提供一条可行方案，应用前景较广阔。

技术领域

本发明涉及一种制备具有选择性吸附二价镉离子（Cr²⁺）的斜发沸石/羟乙基壳聚糖接枝共聚物纳米复合凝胶的方法，属于天然高分子改性材料技术领域。

背景技术

随着工业高速发展，含有许多潜在的有毒金属的废水大量释放于地表和地下水中，水污染问题日益受到人们的关注。在这些工业中，矿产和冶金行业在水资源污染中扮演着主要角色，他们不仅直接将含有重金属离子的废液排放至河流体系中，而且向环境中丢弃未经处理的含有残留金属的固体废弃物。矿渣等固废物倾倒在环境中，随着时间的推移，重金属离子仍会被不断迁移到地表水和地下水中。一些重金属离子如Pb²⁺和Cd²⁺，即使在相对较低的浓度也可对水生生物群落和人类健康产生负面影响。这些重金属离子若要从环境中去除需要开发出有效和可持续的技术解决方案。多年来得到的一些去除重金属离子的技术，例如，化学沉淀法、氧化还原法、渗透法、电解法等，但成效均不是很明显。因为这些方法不是以高成本为去除代价，就是会形成新的固废物副产品。在众多的处理方法中，吸附技术已经成为重金属去除的研究热点之一。

许多吸附剂已被成功应用于移除废水中的金属离子，但是由于生物质吸附剂独特的性质如生物降解性，低成本和丰富的可用性，它通常是被优先选择的。生物质吸附剂由于其具有原料来源丰富，品种多，成本低，在低浓度下处理效果好，吸附容量大，速度快，选择性好，吸附设备简单，易操作等特点，在去除水中重金属方面有广阔的应用前景。生物质吸附剂的原材料包括胶质，胶原蛋白，纤维素，藻酸盐，角叉菜胶和壳聚糖。基于生物质聚合物制得的水凝胶，其吸附行为可以通过掺入任何其他外来物材料如金属氧化物、沸石或粘土等纳米颗粒来改善。天然沸石价格低廉、资源储量大，其巨大的比表面积和优良的离子交换吸附性能在废水处理领域有着广泛的应用前景。一些天然的沸石和粘土如膨润土和斜发沸石是价格低廉的，广泛用于水净化应用。

沸石可以认为是一种由一定数量的Al³⁺取代 Si⁴⁺所形成的含水结构的多孔硅铝酸盐矿物质。通常沸石为硅氧四面体和Al³⁺取代 Si⁴⁺后形成的铝氧四面体结构，即以硅原子或铝原子为四面体中心，周围由４个氧原子所包围。由于铝原子呈+3价，铝氧四面体中有一个氧原子的价电子没有得到中和，使其呈-1价状态。为了保持其整体电性的中和，其四面周围必须有一个带正价的阳离子（阳离子通常是Na⁺、K⁺、1/2Ca²⁺）。这些阳离子和铝硅酸盐结合力比较弱，因此具有很大的流动性，极易与周围水溶液中的阳离子发生离子交换作用。沸石的这种结构决定了它具有较大的静电引力和较强的离子交换性，因此沸石对重金属的去除可能包含着多种作用。Jenne等的研究表明：沸石对重金属离子的去除机理主要包括离子交换和化学吸附作用。其中离子交换可能包含2种形式：金属离子与沸石表面羟基官能团中的质子发生交换；金属离子与沸石表面具有较强流动性的阳离子（Na⁺、K⁺、Ca²⁺等）发生交换。重金属离子与沸石表面羟基发生的络合反应存在化学吸附作用，化学吸附通常包括表面络合作用和内部络合作用。相比表面络合作用，通常认为内部络合作用更加稳定，并且沸石与重金属离子间的结合更加紧密。沸石的筛分分子性质和它表面上存在的强力活性位点使它们非常适用于吸附不同种类的废水污染物。斜发沸石是由硅铝酸盐组成的天然矿物质，可以掺入各种金属氧化物和金属的基质阳离子，常用于吸附来自不同废水的染料和重金属离子。