[发明专利]一种生物吸附材料与负载型树脂组合脱除重金属的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料吸附重金属技术领域，具体涉及一种生物吸附材料与负载型树脂组合脱除重金属的方法。

背景技术

重金属铅、镉、汞等一类污染物，对环境造成的危害有目共睹。如何高效、深度地将其从水体环境中脱除，对于水资源的循环利用以及人们生命健康的保障，都具有非常重要的意义。脱除水介质中的铅、镉、汞等重金属的方法很多，包括沉淀法、絮凝法、吸附法、离子交换法、膜分离法等等，但是对于浓度低（几个ppm级）、水量大的净化情况，吸附无疑是最具有竞争性的特色技术之一。

生物吸附材料在水介质中重金属的脱除方面，以其便宜、高效等特征而广为人们所关注，历经近30年的广泛研发，虽然目今真正产业化大规模应用的生物吸附材料还是少之又少，但是其体现出来的突出成本优势还是令人持续关注。一个限制生物吸附材料走向普遍性的工业化应用的原因是，相对于化学沉淀、离子交换等传统分离技术而言，其成本上的优势常常处于次要的地位，因为工业上无论环境净化方面的应用，其要达标排放的净水标准越来越严格，几乎使得生物吸附鲜有能够一次性经济脱除达标的场所。填充柱式连续化净化操作，固然吸引人，但是这对于广大生物吸附材料而言，往往需要交联和造粒处理，如此一来即牺牲了其成本和吸附容量的优势。如此高不成、低不就的尴尬境遇，实在反映出了生物吸附材料一直以来少有工业化大规模应用的先天性缺陷所在。为此，必须深入研究，找到一种能够充分展现生物吸附的优势，又能保持其优势的应用模式或应用方案。将其与离子交换树脂联合使用，发挥生物吸附的成本低、容量大、吸附快等优点，又能发挥离子交换树脂柱式操作之净化深度大、连续化操作经验成熟等优势。但是，传统的离子交换树脂普遍存在吸附功能单一、选择性差、容量小等缺点，因此需要对传统的离子交换树脂探索新的提高和改善其吸附性能的方法。

近些年来，纳米材料作为环境净化材料，以其优异、突出的净化性能而为人们青睐和广泛关注。但是随着人们对纳米材料性能的深入认识，纳米材料对环境的潜在危害也引起深切关注，故而在修复、净化环境时，如何有效地发挥纳米材料的正面效应，而防范其潜在的危害，实在是一件非常重要的事情。具体地，在水体净化中，纳米氧化物、硫化物、磷酸盐等优异的吸附净化能力，已经广为人知。比如Imran Ali在2012年的Chemical Reviews第12期杂志上发表《New Generation Adsorbents for Water Treatment》一文，系统地介绍了多种纳米金属氧化物、硫化物在水净化方面的优异性能；李良等人在2017年的化学进展上发表论文《金属硫化物纳米吸附剂》，专门介绍了ZnS、FeS、CuS、MoS2等纳米硫化物对重金属的吸附效果，显示出了良好的应用前景；潘丙才等人在2012年的J.Hazard. Mater.上发表论文《Heavy metal removal from water/wastewater by nanosized metal oxides: a review》，综述了多种金属氧化物纳米材料在重金属吸附方面的应用性能。这些工作无疑都体现了人们对于纳米材料吸附净化水中重金属污染的关切，也体现了纳米材料在水体净化方面的巨大潜力。纳米材料如此之细小，用于水体净化时，如何将其从水中方便、快捷地分离出来，不至于滞留在水体中造成可能的二次环境危害，是一个很现实的应用障碍。为解决该问题，常常有两种解决思路，一是将纳米材料负载到宏量尺寸的基体材料上，则可轻松过滤或沉降分离；另一则是将纳米材料制备成磁性材料从而借助磁力分离。磁性制备会导致成本增加，且对吸附性能造成显著干扰，以及工业实践上的经验积累而言尚偏少，因此，并不是一个可以普遍考虑的解决方案。而负载法则具有很大的可选空间，其可资负载用的基体材料有生物吸附材料、活性炭、生物炭、无机矿物多孔材料甚至砂子等，可谓五花八门，但是从负载材料的性能一致性、稳定性、工业工程实用化操作经验等方面来综合考察，这些材料离实际应用还有不小的距离需要跨越。相比而言，离子交换树脂作为负载材料，则具有很好的工业化应用开发潜力，相对于前面提及的各种负载材料而言，其在工业上成熟的操作经验、成熟的生产技术以及配套设备与工业控制设计等方面都具有无可比拟的优势。这方面的研究和工业应用已经不少，体现出该设计思路良好的应用前景。相对而言，金属氧化物的纳米化材料负载树脂基复合材料的研发很多，而硫化物纳米材料负载树脂基复合材料的研发则较少。而硫化物纳米材料在重金属吸附方面展现出来的巨大优越性和潜力，实在值得深入研究和推进工业化应用开发。比如专利201310632485.1就以分子筛、沸石、活性炭等作为负载基体，将纳米硫化锌、硒化锌负载到这些载体上，用于脱除水中汞污染的应用。但是离实用化应用，还是有一定距离，限制性问题主要还在于这些载体材料的工业化操作运行方面经验不成熟。因此，将纳米硫化物负载到树脂上，既赋予了树脂更好的吸附性能，又使得纳米材料得以固定载附而避免了纳米颗粒散落到水体中造成二次危害的潜在风险。