[发明专利]一种用于重金属去除的生物质材料吸附剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了在一定条件下，以醋酸纤维素基材为原料，通过95%浓甲酸溶解处理，得到醋酸纤维素凝胶溶液。以氯氧化锆（ZrOCl₂）与磷酸（H₃PO₄）为反应原料，在pH=1和温度为35℃条件下，通过无机化学反应得到无定形磷酸锆白色胶状悬浮液；醋酸纤维素凝胶溶液与磷酸锆悬浮液进行化学反应，磷酸锆中的Zr金属离子与醋酸纤维素上C‑2位置上的羟基的氧发生伸缩振动叠加作用，形成醋酸纤维素‑磷酸锆；对醋酸纤维素‑磷酸锆进行酸化，提高吸附剂的离子交换性能。本发明制备的醋酸纤维素‑磷酸锆吸附剂具有吸附Pb²⁺、Zn²⁺效率高、吸附容量大、处理效果稳定等优点，使用不产生二次污染，而且操作便捷。

技术领域

本发明涉及一种用于重金属去除的生物质材料吸附剂，属于环境保护技术领域，具体是一种针对一种用于重金属去除的生物质材料吸附剂及其制备方法与应用。

背景技术

镉、铬、铅、铜，锌和汞是常见的重金属水体污染物。重金属元素在环境中非常稳定，不会分解，并且难以去除。重金属元素通过物质间的迁移来实现在生态环境中的移动。一旦人体通过某种方式摄入了重金属元素，重金属元素就会被蓄积在体内，不易排出，等积累到一定程度后，就会对人体的各个器官造成损害。

纤维素是自然界中储量最丰富的天然可再生高分子化合物，其化学结构是由多羟基的β-脱水葡萄糖单元经醚键（C-O-C）连接而成的聚合物长链分子。分子链的堆砌使得纤维素空间结构由结晶态和非晶态交错间隔而构成，而结晶相中的羟基（-OH）可形成数量庞大的氢键，导致纤维素在常规有机溶剂中难以溶解，使得纤维素的应用受到极大限制。通过对纤维素进行改性处理获得衍生物产品，拓展纤维素的应用范围。在纤维素的衍生物中，醋酸纤维素是应用较广的纤维素有机酸酯，它是将棉花纤维或木材纤维以醋酸或醋酐在催化剂作用下进行酯化，而得到的一种热塑性树脂。醋酸纤维素中羟基及羰基的存在，对重金属有强烈亲和力，因此可作为重金属的吸附剂。由于醋酸纤维素可以微球、片状、膜以及溶液等不同形式出现，进一步提高了醋酸纤维素功能化的灵活性和应用的广泛性。

磷酸锆是近年逐步发展起来的一类新型多功能材料，它既具有类似于离子交换树脂的离子交换性能，同时又具有像沸石一样的择形吸附和催化的性能。此外，磷酸锆还具有较高的热稳定性、机械强度和较好的耐酸碱性能，并且可以提供相当大的比表面积，因此在环境保护领域有很大的应用前景。磷酸锆具有无定形和晶形两种形态，其中晶形磷酸锆的晶体结构类型有多种，以α-磷酸锆（分子式Zr（HPO₄）₂·H₂O，简写为α-ZrP）最具有代表性。α-ZrP是一种具有强离子交换能力的阳离子型层状化合物，具有规整层板结构和可设计性。晶体结构中有-HPO₄基团存在，-HPO₄基团中的羟基与结晶水以氢键相连，有很好的化学稳定性且无毒性。当其层间插入一些客体如离子、分子或原子后可形成相应的层柱化合物。由于磷酸锆类层柱化合物具有潜在的择形吸附性能，现已成为一类极具诱人前景的离子交换剂而受到国内外学者广泛关注。由于受层间距的限制，当交换离子直径大于层间距时就无法进入层内与质子进行交换，因此α-ZrP仅对某些金属离子具有选择性，据文献报道ZrP对碱金属和碱土金属有很好的吸附性能。

由于醋酸纤维素纳米复合材料的低成本、易加工、应用广、可再生、再循环使用等特点，具有较大应用前景，而无定形磷酸锆是四价金属酸盐的无机离子交换剂，具有高选择性，高热稳定性和疏水特征，对重金属是优良吸附剂，但在实际应用中由于无定形磷酸锆颗粒极细，用于重金属水体吸附，因流体阻力与压头损失实用性较差，因此将无定形磷酸锆负载在多孔吸附材料上可以有效的解决这一问题。因此通过对醋酸纤维素进行负载磷酸锆改性处理，从而提高重金属离子的去除能力。目前还未见醋酸纤维素-磷酸锆纳米复合材料相关报道。

发明内容