一种黄麻/聚合物凝胶的制备方法及其作为重金属吸附剂的应用与流程

本发明涉及一种重金属吸附剂的制备，特别涉及一种黄麻/聚合物凝胶的制备及其作为重金属吸附剂的应用，属于水污染处理技术领域。

背景技术：

重金属水体污染已经严重影响到人类健康和生态安全。因此，对重金属废水的净化处理已成为环境保护中亟待解决的问题之一。吸附法是处理重金属污染的一个重要手段，目前已有的重金属吸附剂有无机吸附材料如活性炭、蛭石、膨润土等，有机吸附材料纤维素及其改性产物、壳聚糖等。这些吸附材料存在重金属吸附性能有限、难以重复利用或成本高等缺点。

黄麻是一种来源丰富、价格低廉的可再生资源。黄麻尤其黄麻叶中含有丰富的-OH和-NH₂等基团，对金属离子具有一定螯合作用。然而单一黄麻作为吸附剂，在水中表现为粘稠状，功能基团难以充分暴露，并且难以再生利用，导致其应用受到局限。

技术实现要素：

针对现有技术中黄麻作为重金属吸附材料存在的缺陷，本发明的第一个目的旨在提供一种通过丙烯酸类聚合物对黄麻进行复合改性获得黄麻/聚合物凝胶的方法，该方法可有效地提高黄麻材料对重金属的吸附能力，且可获得良好的机械性能，使黄麻材料可重复利用。

本发明的第二个目的是在于提供黄麻/聚合物凝胶作为重金属吸附剂的应用，对水溶液中的铅、镉、铬、锌、铜、锰等重金属离子表现出很好的去除效果，且吸附剂可以回收并重复使用。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种黄麻/聚合物凝胶的制备方法，该方法是将丙烯酸类聚合单体加入到黄麻水分散液中进行聚合反应，即得。

本发明的技术方案关键在于采用丙烯酸类聚合物(如聚丙烯酸PAA、聚甲基丙烯酸PMA或聚丙烯酰胺(PAAM)等)对黄麻进行原位复合形成黄麻/聚合物凝胶复合材料，该黄麻/聚合物凝胶具有良好的水渗透性，能使黄麻的吸附位点暴露于水体系中，有利于溶液中的金属离子能很快的扩散到凝胶内部，使黄麻对重金属离子具有更好的吸附效果，且黄麻通过聚合物改性后可获得较好的机械性能，有利于其回收和重复使用。

优选的方案，黄麻包括黄麻的杆、枝、叶中至少一种。最优选为黄麻叶。大量实验表明黄麻叶含有更多的活性基团，更有利于对溶液中的重金属离子的螯合，以黄麻叶为黄麻材料得到的黄麻/聚合物凝胶对重金属的吸附能力高于以黄麻杆或枝为黄麻材料得到的复合材料。

优选的方案，丙烯酸类聚合单体包括丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺中至少一种。更优选为丙烯酸。采用丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺制备的聚丙烯酸(PAA)或聚甲基丙烯酸(PMA)或聚丙烯酰胺(PAAM)或它们的共聚物具有较好的凝胶性能。且通过大量实验表明，以丙烯酸聚合单体制备的黄麻/聚合物凝胶对重金属的吸附性能稍高于以甲基丙烯酸或丙烯酰胺聚合单体制备的黄麻/聚合物凝胶对重金属的吸附性能。

优选的方案，所述丙烯酸类聚合单体与黄麻的质量比为1～10∶1～15；质量比最优选为1∶1～5。大量实验表明：聚合物单体与黄麻的质量比在1∶1～5范围内可以达到最佳的实施效果，若聚合物单体与黄麻的质量比大于1∶0.5，机械性能有所提高，但吸附性能下降明显；若聚合物单体与黄麻的质量比小于1∶7，吸附性能没有明显提高，但机械性能则有较大的下降。

优选的方案，所述聚合反应以过硫酸铵(APS)和/或过硫酸钾(PPS)为引发剂，以N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为交联剂，聚合反应温度为55℃～65℃。

优选的方案，聚合反应时间为3～6小时。

优选的方案，黄麻水分散液由以下方法得到：将黄麻在NaOH溶液中浸泡后，采用HCl溶液调至中性，即得黄麻水分散液。通过碱处理再酸中和，使黄麻表面的活性基团增多，有利于其在水中分散，同时也有利于改善其吸附性能。

本发明的黄麻/聚合物凝胶具体制备方法如下：将丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸(MA)和/或丙烯酰胺(AAM)单体加入到黄麻(Jute)水分散液中，其中单体与黄麻的质量比为1～10∶1～15，以过硫酸铵和/或过硫酸钾作为引发剂，以N,N'-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，在55℃～65℃下搅拌3～6小时，得到黄麻/聚合物凝胶(Jute/PAA或Jute/PMA或Jute/PAAM)。

本发明还提供了一种黄麻/聚合物凝胶作为重金属吸附剂的应用，将黄麻/聚合物凝胶用于吸附水溶液中的重金属离子。

优选的方案，重金属离子包括铅离子、镉离子、铬离子、锌离子、铜离子、锰离子中的至少一种。

优选的方案，黄麻/聚合物凝胶在水溶液中的浓度为0.1～5g·L^-1，优选为0.5～1.5g·L^-1。水溶液中的重金属离子浓度10～600mg·L^-1。水溶液的温度为10～40℃，一般在常温下即可。

本发明的技术方案中，黄麻/聚合物凝胶作为重金属吸附剂应用于吸附水溶液中的重金属离子，如铅、镉、铬、锌、铜和锰等离子均有很好的去除效果，尤其Jute/PAA吸附剂对铅和镉离子的吸附量分别可高达508和383mg/g，高于纯黄麻吸附剂对铅和镉离子的吸附量，同时，黄麻/聚合物凝胶具备有良好的机械性能，可以回收，并重复使用。

相对现有技术，本发明技术方案带来的有益技术效果：

本发明的技术方案首次采用聚丙烯酸(PAA)或聚甲基丙烯酸(PMA)或聚丙烯酰胺(PAAM)聚合物对黄麻进行复合改性形成的黄麻/聚合物凝胶，形成的凝胶具有良好的水渗透性，能使黄麻的吸附位点暴露于水体系中，有利于溶液中的金属离子快速扩散到凝胶内部，使黄麻对重金属离子具有更好的吸附效果，且黄麻通过聚合物的改性，具有较好的机械性能，有利于回收和重复使用。以Jute/PAA或Jute/PMA或Jute/PAAM为吸附剂对水溶液中的铅、镉、铬、锌、铜和锰等离子均有很好的去除效果，尤其Jute/PAA吸附剂对铅和镉离子的吸附量分别可高达508和383mg/g，高于纯黄麻吸附剂对铅和镉离子的吸附量。

附图说明

【图1】为黄麻/聚合物凝胶Jute/PAA的照片；

【图2】为黄麻/聚合物凝胶Jute/PAA循环使用对铅和镉的吸附效果图。

具体实施方式

以下实施例旨在进一步详细说明本发明内容，而不是对本发明保护范围的进一步限定。

实施例1

(1)黄麻预处理

黄麻树按杆、枝、叶分离，自然太阳光烘干，然后用粉碎机粉碎备用。

(2)黄麻叶/聚丙烯酸凝胶(Jute(叶)/PAA)制备

将100mL含20wt％的黄麻溶液(用NaOH在加热条件下使黄麻叶粉末溶解，然后由HCl将溶液调至中性)，20mL的丙烯酸单体，0.25mol％引发剂APS、1.5mol％交联剂MBA(与丙烯酸的摩尔比)的混合液加入到反应瓶，密封放入到60℃的水浴锅里反应5小时，完成聚合反应，得到Jute(叶)/PAA凝胶(聚合物单体与黄麻质量比为1:1)，即本发明中所述的重金属吸附剂。Jute(叶)/PAA重金属吸附剂的照片如图1所示，图中表明，该Jute(叶)/PAA重金属吸附剂具有良好的机械柔性及压缩性能。

(3)吸附性能的测定

Jute(叶)/PAA为吸附剂对重金属铅、镉、铬、锌、铜和锰离子进行吸附试验。重金属溶液的浓度分别为600、500、400﹑300﹑200﹑100﹑70﹑50、30、10mg.L^-1，吸附剂浓度为1g.L^-1，温度分别为293K、303K、313K，吸附时间为2小时。模拟Langmuir吸附等温线测其吸附量。Jute(叶)/PAA对铅、镉、铬、锌、铜和锰最大吸附量分别508、383、301、282、266和243mg.g^-1。

(4)吸附剂重复利用性的测试

Jute(叶)/PAA为吸附剂对重金属铅和镉离子进行吸附剂重复利用性的试验。铅和镉离子的浓度均为400mg.L^-1，吸附剂浓度为1g.L^-1，温度为303K，每一次吸附时间为2小时。每一次吸附完成后用0.1mol/L的HCl溶液进行解吸。如图2所示，在第一次吸附中，吸附剂对Pb离子、Cd离子的吸附率分别为96％和83％。经过五次循环后，吸附率仍然分别高达93％和81％。结果表明，该吸附剂具有良好的重复利用性能。

实施例2

(1)黄麻预处理

同实施例1。

(2)黄麻叶/聚甲基丙烯酸凝胶(Jute(叶)/PMA)制备

将实施例1中的丙烯酸(AA)用甲基丙烯酸(MA)替代，其余同实施例1。

(3)吸附性能的测定

Jute(叶)/PMA替代Jute(叶)/PAA，其余同实施例1。Jute(叶)/PMA对铅、镉、铬、锌、铜和锰最大吸附量分别492、377、289、276、263和239mg.g^-1。

实施例3

(1)黄麻预处理

同实施例1。

(2)黄麻叶/聚丙烯酰胺凝胶(Jute(叶)/PAAM)制备

将实施例1中的丙烯酸(AA)用丙烯酰胺(AAM)替代，其余同实施例1。

(3)吸附性能的测定

Jute(叶)/PAAM替代Jute(叶)/PAA，其余同实施例1。Jute(叶)/PAAM对铅、镉、铬、锌、铜和锰最大吸附量分别496、382、299、294、289和258mg.g^-1。

实施例4

(1)黄麻预处理

同实施例1。

(2)黄麻枝/聚丙烯酸凝胶(Jute(枝)/PAA)制备

将实施例1中的黄麻叶用黄麻枝替代,其余同实施例1。

(3)吸附性能的测定

吸附性能的测定条件同实施例1。Jute(枝)/PAA对铅、镉、铬、锌、铜和锰最大吸附量分别427、352、268、243、223和209mg.g^-1。

实施例5

(1)黄麻预处理

同实施例1。

(2)黄麻茎/聚丙烯酸凝胶(Jute(杆)/PAA)制备

将实施例1中的黄麻叶用黄麻杆替代,其余同实施例1。

(3)吸附性能的测定

吸附性能的测定条件同实施例1。Jute(杆)/PAA对铅、镉、铬、锌、铜和锰最大吸附量分别398、339、247、216、204和188mg.g^-1。

实施例6

(1)黄麻预处理

同实施例1。

(2)黄麻叶/聚丙烯酸凝胶(Jute(叶)/PAA)制备

将实施例1中聚合物单体与黄麻质量比改为1:0.5,其余同实施例1。

(3)吸附性能的测定

吸附性能的测定条件同实施例1。Jute(叶)/PAA对铅、镉、铬、锌、铜和锰最大吸附量分别302、241、209、176、133和107mg.g^-1。同实施例1相比，吸附性能下降明显，机械性能有所提高。

实施例7

(1)黄麻预处理

同实施例1。

(2)黄麻叶/聚丙烯酸凝胶(Jute(叶)/PAA)制备

将实施例1中聚合物单体与黄麻质量比改为1:7,其余同实施例1。

(3)吸附性能的测定

吸附性能的测定条件同实施例1。Jute(叶)/PAA对铅、镉、铬、锌、铜和锰最大吸附量分别512、387、321、293、273和254mg.g^-1。同实施例1相比，吸附性能稍有提高，但机械性能下降明显。

对比例1

(1)黄麻预处理

同实施例1。

(2)将100mL含20wt％的黄麻叶溶液(用NaOH在加热条件下使黄麻叶

粉末溶解，然后由HCl将溶液调至中性)直接用于重金属吸附。

(3)吸附性能的测定

吸附性能的测定条件同实施例1。黄麻叶对铅、镉、铬、锌、铜和锰最大吸附量分别488、341、269、240、226和217mg.g^-1。同实施例1相比，吸附性能有所下降，同时难以重复利用。

对比例2

(1)黄麻预处理

同实施例1。

(2)将100mL含20wt％的黄麻枝溶液(用NaOH在加热条件下使黄麻杆

粉末溶解，然后由HCl将溶液调至中性)直接用于重金属吸附。

(3)吸附性能的测定

吸附性能的测定条件同实施例1。黄麻枝对对铅、镉、铬、锌、铜和锰最大吸附量分别407、296、251、226、187和169mg.g^-1。同对比例1相比，吸附性能有所下降，同样难以重复利用。

对比例3

(1)黄麻预处理

同实施例1。

(2)将100mL含20wt％的黄麻杆溶液(用NaOH在加热条件下使黄麻杆

粉末溶解，然后由HCl将溶液调至中性)直接用于重金属吸附。

(3)吸附性能的测定

吸附性能的测定条件同实施例1。黄麻杆对对铅、镉、铬、锌、铜和锰最大吸附量分别354、272、215、186、146和114mg.g^-1。同对比例2相比，吸附性能有所下降，同样难以重复利用。