本发明属于功能材料领域，具体涉及一种用于去除水体中铅离子的铅离子吸附材料以及制备方法。
技术背景
铅是一种有毒的重金属，铅污染对人体有着非常严重的危害。人体积累的铅过量会导致人体的神经系统、造血系统、消化系统以及生殖系统混乱，对于儿童的危害更为严重。正常人血铅含量为0.15mg/kg，而达到0.6～0.8mg/kg就造成铅中毒发生动脉内膜炎、血管痉挛、动脉硬化、神经机能障碍、绞痛、精神呆滞等现象(陈炳卿，孙长.食品污染与健康[M].北京：化学工业出版社，2002.155-160.)。铅污染主要来源于工业铅的冶炼，通过含铅废水和含铅盐废渣排放。含铅废水一方面污染地下水和水产品，一方面通过进入土壤或者通过生态循环、大气沉降来污染农作物，对人体产生影响。
吸附法是在重金属废水中加入吸附剂，利用离子螯合和络合作用吸附重金属离子，再通过两相分离达到净化目的的方法。活性炭具有丰富的表面官能团和疏松多孔的性质，比表面积较大，这使得其可作为一种优良的吸附剂来处理废水或土壤中的重金属，但由于其表面具有疏水性，所以对多数重金属亲和力较为差。活性炭或生物炭作为土壤修复添加剂时，易受化学和微生物作用导致活性炭或生物炭被矿化，重金属离子重新被释放。
为了在活性炭表面引入亲水性官能团，研究者通过不同的方法改性活性炭，这些方法包括利用硝酸或过氧化氢的湿式氧化改性(Qiao W,Korai Y,Mochida I,et al.Preparation of an activated carbon artifact:oxidative modification of coconut shell-based carbon to improve the Strength[J].Carbon,2002,40(3)；351-358.)和利用氧气或臭氧的气相氧化改性(Chiang H L,Chiang P C,Huang C R Ozonation of activated carbon and its effects on the adsorption of VOCs exemplified by methylethylketone and benzene[J].Chemosphere,2002,47(3):267-275.)。然而，这些操作方法往往较为复杂，而且成本高昂，活性炭改性后产率也有所下降。此外，由于亲水性官能团是通过活性炭与改性试剂间强氧化作用生成，活性炭的质量在改性后出现明显下降，其之前微孔结构也遭到严重破坏。
技术实现要素：
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能够有效对水体中铅离子Pb(Ⅱ)进行吸附和去除的铅离子吸附材料及其制备方法。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
<铅离子吸附材料的制备方法>
本发明提供一种铅离子吸附材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一.预备料制备：将沥青、树叶与水作为原料进行混合，搅拌均匀后加入镁盐、铝盐、含硅化合物和沥青助溶剂作为配料，搅拌均匀，制得预备料；步骤二.粗品制备：将预备料移入加热装置内，在保护气氛下，先以第一升温速率升温至60～100℃，再以第二升温速率升温至120～180℃，再以第三升温速率升温至250～500℃，保温一定时间，再以第四升温速度继续升温至800～1000℃进行炭化，最后在保护气氛下冷却至室温，制得吸附材料粗品；步骤三.成品制备：将吸附材料粗品用酸溶液进行洗涤、过滤，再用水洗至中性，然后在恒温干燥箱中干燥，制得铅离子吸附材料，其中，沥青、树叶、水的质量比为20:15～25:40～60，每20g沥青对应：1.25～5mmol镁离子、2.5～10mmol铝离子、3.13～7.5mmol硅，第一升温速率为2～8℃/min,第二升温速率为0.2～0.8℃/min,第三升温速率为2～8℃/min,第四升温速率为2～8℃/min。
进一步地，本发明提供的铅离子吸附材料的制备方法还可以具有以下特征：沥青为废旧建筑沥青。
进一步地，本发明提供的铅离子吸附材料的制备方法还可以具有以下特征：沥青助溶剂为十二烷基磺酸钠和油酸，建筑沥青、树叶、水、十二烷基磺酸钠以及油酸的质量比为20:20:50:1:20。
进一步地，本发明提供的铅离子吸附材料的制备方法的方法还可以具有以下特征：在配料中，镁离子、铝离子、硅的摩尔比为2:4:5。
进一步地，本发明提供的铅离子吸附材料的制备方法还可以具有以下特征：在上述步骤二中，保温时间为0.5～2h。
进一步地，本发明提供的铅离子吸附材料的制备方法还可以具有以下特征：在上述步骤二中，是先以5℃/min的升温速率升温至80℃，再以0.5℃/min的升温速率升温至150℃，再以5℃/min的升温速率升温至400℃，保温1h，再以5℃/min的升温速率继续升温至1000℃炭化2h。
进一步地，本发明提供的铅离子吸附材料的制备方法还可以具有以下特征：在上述步骤三中，是先将吸附材料粗品研磨粉碎，然后再用酸液进行洗涤。
进一步地，本发明提供的铅离子吸附材料的制备方法还可以具有以下特征：在上述步骤三中，是将吸附材料粗品在80～120℃恒温干燥箱中干燥10～15h。
进一步地，本发明提供的铅离子吸附材料的制备方法的方法还可以具有以下特征：铅离子吸附材料的铅离子吸附容量≥90～162mg/g。
<铅离子吸附材料>
本发明还提供一种铅离子吸附材料，其特征在于：该铅离子吸附材料是根据<铅离子吸附材料的制备方法>中任意一种方法所制备的铅离子吸附材料。
发明的作用与效果
根据本发明提供的铅离子吸附材料及其制备方法，因为本发明以沥青、树叶与水作为原料，以镁盐、铝盐和含硅化合物这几种亲水性的盐作为添加剂，制备得到炭-铝镁硅复合材料作为铅离子吸附材料，这些亲水性的盐不仅能够有效地改善炭表面疏水性特点及化学稳定性和机械表强度，同时赋予炭的多孔性和表面化学性质，增强重金属离子对吸附剂表面的亲和性，改善了传统活性炭表面疏水性的问题，使得制备出的铅离子吸附材料在去除水体中铅离子Pb(Ⅱ)的能力上有了显著提高。
并且，由于原料中树叶的多级孔结构有利于吸附材料多孔结构的形成，而生物质碱性表面对重金属的吸附与沉淀具有协同作用，从而进一步增强了材料对铅离子的吸附性能。
另外，传统工艺改进活性炭表面亲水性的方法主要包括利用硝酸或过氧化氢的湿式氧化改性和利用氧气或臭氧的气相氧化改性，操作较为复杂，成本较为高昂，产品产率低，对仪器设备有较为明显的腐蚀，而本发明的制备过程较为简单，成本低廉，对设备材料无明显腐蚀，适用于大规模铅离子污染废水的净化处理。
具体实施方式
以下通过实施例来对本发明涉及的铅离子吸附材料及其制备方法进行详细地说明。
以下实施例中提及的“份”均指“质量份”。以下实施例中采用的废弃建筑沥青，通过工业分析可以得到，其水分占4.67％，灰分含量占40.34％，挥发分含量占49.97％，固定炭含量占5.02％；树叶可以为新鲜树叶，也可为干枯树叶，其种类不限，可以是樟树叶、松树叶、梧桐树叶等；镁盐可以为有机或无机镁盐类，如氧化镁、硫酸镁、醋酸镁、柠檬酸镁等；铝盐可以为有机或无机铝盐类，如甲酸铝、草酸铝、磷酸二氢铝等；含硅化合物可以为无机或有机硅盐类，如正硅酸乙酯、硅酸钠、硅溶胶等。
<实施例一>
本实施例一提供的铅离子吸附材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一.预备料制备：
将20份废弃建筑沥青、20份树叶与50份水作为原料进行混合，用搅拌器搅拌5～20min，然后加入0.27份镁盐(含1.25mmol镁离子)、1.6份铝盐溶液(含2.5mmol铝离子)、0.63份含硅化合物溶液(含3.13mmol硅)，再加入1份十二烷基磺酸钠和20份油酸作为沥青助溶剂，搅拌20min，制得预备料。
步骤二.预备料制备：
将制得的预备料移入管式炉内，在流量为250ml/min氮气气氛保护下，先以5℃/min的升温速率升温至80℃，再以0.5℃/min的升温速率升温至150℃，再以5℃/min的升温速率升温至400℃，保温1h，再以5℃/min的升温速度继续升温至1000℃进行炭化1.5h，最后在氮气气氛下冷却至室温，制得炭-铝镁硅复合的吸附材料粗品；
步骤三.成品制备：
将制得的吸附材料粗品研磨粉碎，然后用150份1mol·L-1的HCl溶液洗涤24h、过滤，再用蒸馏水反复洗涤至中性，然后在110℃恒温干燥箱中干燥12h，制得炭-铝镁硅复合的铅离子吸附材料。
测试：
将制得的铅离子吸附材料(以<150目的粉体计)，按照加入铅离子Pb(Ⅱ)含量为200mg/L的废水中，每升废水加入1g铅离子吸附材料，混合均匀，然后在溶液pH为6，25℃的条件下恒温振荡3h。
本实施例一中，经测试，铅离子吸附材料对废水中铅离子的去除率为63.3％，吸附容量为129mg/g。
<实施例二>
本实施例二提供的铅离子吸附材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一.预备料制备：
将20份废弃建筑沥青、20份树叶与50份水作为原料进行混合，用搅拌器搅拌5～20min，然后加入0.54份镁盐(含2.5mmol镁离子)、3.20份铝盐溶液(含5mmol铝离子)、1.25份含硅化合物溶液(含6.25mmol硅)，再加入1份十二烷基磺酸钠和20份油酸作为沥青助溶剂，搅拌10min，制得预备料；
步骤二.预备料制备：
将制得的预备料移入管式炉内，在流量为250ml/min氮气气氛保护下，先以5℃/min的升温速率升温至80℃，再以0.5℃/min的升温速率升温至150℃，再以5℃/min的升温速率升温至400℃，保温1h，再以5℃/min的升温速度继续升温至850℃进行炭化1.5h，最后在氮气气氛下冷却至室温，制得炭-铝镁硅复合的吸附材料粗品；
步骤三.成品制备：
将制得的吸附材料粗品研磨粉碎，然后用200份1mol·L-1的HCl溶液洗涤12h、过滤，再用蒸馏水反复洗涤至中性，然后在120℃恒温干燥箱中干燥12h，制得炭-铝镁硅复合的铅离子吸附材料；
测试：
将制得的铅离子吸附材料(以<150目的粉体计)，按照加入铅离子Pb(Ⅱ)含量为200mg/L的废水中，每升废水加入1g铅离子吸附材料，混合均匀，然后在溶液pH为6，25℃的条件下恒温振荡3h。
本实施例二中，经测试，铅离子吸附材料对废水中铅离子的去除率为68.8％，吸附容量为136mg/g。
<实施例三>
本实施例三提供的铅离子吸附材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一.预备料制备：
将20份废弃建筑沥青、20份树叶与50份水作为原料进行混合，用搅拌器搅拌10min，然后加入1.08份镁盐(含5mmol镁离子)、6.4份铝盐溶液(含10mmol铝离子)、2.5份含硅化合物溶液(含7.5mmol硅)，再加入1份十二烷基磺酸钠和20份油酸作为沥青助溶剂，搅拌20min，制得预备料；
步骤二.预备料制备：
将制得的预备料移入管式炉内，在流量为250ml/min氮气气氛保护下，先以5℃/min的升温速率升温至80℃，再以0.5℃/min的升温速率升温至150℃，再以5℃/min的升温速率升温至400℃，保温1h，再以5℃/min的升温速度继续升温至1000℃进行炭化2h，最后在氮气气氛下冷却至室温，制得炭-铝镁硅复合的吸附材料粗品；
步骤三.成品制备：
将制得的吸附材料粗品研磨粉碎，然后用150份1mol·L-1的HCl溶液洗涤24h、过滤，再用蒸馏水反复洗涤至中性，然后在110℃恒温干燥箱中干燥12h，制得炭-铝镁硅复合的铅离子吸附材料；
测试：
将制得的铅离子吸附材料(以<150目的粉体计)，按照加入铅离子Pb(Ⅱ)含量为200mg/L的废水中，每升废水加入1g铅离子吸附材料，混合均匀，然后在溶液pH为6，25℃的条件下恒温振荡3h；
本实施例三中，经测试，铅离子吸附材料对废水中铅离子的去除率为81.2％，吸附容量为162mg/g。
<实施例四>
本实施例四提供的铅离子吸附材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一.预备料制备：
将20份废弃建筑沥青、20份树叶与50份水作为原料进行混合，用搅拌器搅拌10min，然后加入0.27份镁盐(含1.25mmol镁离子)、1.6份铝盐溶液(含2.5mmol铝离子)、0.63份含硅化合物溶液(含3.13mmol硅离子)，再加入1份十二烷基磺酸钠和20份油酸作为沥青助溶剂，搅拌20min，制得预备料；
步骤二.预备料制备：
将制得的预备料移入管式炉内，在流量为250ml/min氮气气氛保护下，先以5℃/min的升温速率升温至80℃，再以0.5℃/min的升温速率升温至150℃，再以5℃/min的升温速率升温至400℃，保温1h，再以5℃/min的升温速度继续升温至900℃进行炭化1.5h，最后在氮气气氛下冷却至室温，制得炭-铝镁硅复合的吸附材料粗品；
步骤三.成品制备：
将制得的吸附材料粗品研磨粉碎，然后用150份1mol·L-1的HCl溶液洗涤24h、过滤，再用蒸馏水反复洗涤至中性，然后在110℃恒温干燥箱中干燥12h，制得炭-铝镁硅复合的铅离子吸附材料；
测试：
将制得的铅离子吸附材料(以<150目的粉体计)，按照加入铅离子Pb(Ⅱ)含量为200mg/L的废水中，每升废水加入1g铅离子吸附材料，混合均匀，然后在溶液pH为6，25℃的条件下恒温振荡3h。
本实施例四中，经测试，铅离子吸附材料对废水中铅离子的去除率为47.7％，吸附容量为94mg/g。
<实施例五>
本实施例五提供的铅离子吸附材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一.预备料制备：
将20份废弃建筑沥青、15份树叶与40份水作为原料进行混合，用搅拌器搅拌10min，然后加入0.27份镁盐(含1.25mmol镁离子)、1.6份铝盐溶液(含2.5mmol铝离子)、0.63份含硅化合物溶液(含3.13mmol硅)，再加入1份十二烷基磺酸钠和20份油酸作为沥青助溶剂，搅拌20min，制得预备料；
步骤二.预备料制备：
将制得的预备料移入管式炉内，在流量为250ml/min氮气气氛保护下，先以2℃/min的升温速率升温至60℃，再以0.2℃/min的升温速率升温至120℃，再以2℃/min的升温速率升温至250℃，保温0.5h，再以2℃/min的升温速度继续升温至900℃进行炭化1.5h，最后在氮气气氛下冷却至室温，制得炭-铝镁硅复合的吸附材料粗品；
步骤三.成品制备：
将制得的吸附材料粗品研磨粉碎，然后用150份1mol·L-1的HCl溶液洗涤24h、过滤，再用蒸馏水反复洗涤至中性，然后在80℃恒温干燥箱中干燥10h，制得炭-铝镁硅复合的铅离子吸附材料；
测试：
将制得的铅离子吸附材料(以<150目的粉体计)，按照加入铅离子Pb(Ⅱ)含量为200mg/L的废水中，每升废水加入1g铅离子吸附材料，混合均匀，然后在溶液pH为6，25℃的条件下恒温振荡3h。
本实施例五中，经测试，铅离子吸附材料对废水中铅离子的去除率为60.2％，吸附容量为120mg/g。
<实施例六>
本实施例六提供的铅离子吸附材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一.预备料制备：
将20份废弃建筑沥青、25份树叶与60份水作为原料进行混合，用搅拌器搅拌10min，然后加入1.08份镁盐(含5mmol镁离子)、6.4份铝盐溶液(含10mmol铝离子)、2.5份含硅化合物溶液(含7.5mmol硅)，再加入1份十二烷基磺酸钠和20份油酸作为沥青助溶剂，搅拌20min，制得预备料；
步骤二.预备料制备：
将制得的预备料移入管式炉内，在流量为250ml/min氮气气氛保护下，先以8℃/min的升温速率升温至100℃，再以0.8℃/min的升温速率升温至180℃，再以8℃/min的升温速率升温至500℃，保温2h，再以8℃/min的升温速度继续升温至1000℃进行炭化2h，最后在氮气气氛下冷却至室温，制得炭-铝镁硅复合的吸附材料粗品；
步骤三.成品制备：
将制得的吸附材料粗品研磨粉碎，然后用150份1mol·L-1的HCl溶液洗涤24h、过滤，再用蒸馏水反复洗涤至中性，然后在120℃恒温干燥箱中干燥12h，制得炭-铝镁硅复合的铅离子吸附材料；
测试：
将制得的铅离子吸附材料(以<150目的粉体计)，按照加入铅离子Pb(Ⅱ)含量为200mg/L的废水中，每升废水加入1g铅离子吸附材料，混合均匀，然后在溶液pH为6，25℃的条件下恒温振荡3h。
本实施例六中，经测试，铅离子吸附材料对废水中铅离子的去除率为65.8％，吸附容量为131mg/g。
实施例的作用与效果
根据以上实施例一至六所提供的铅离子吸附材料的制备方法以及制备得到的铅离子吸附材料，因为是以沥青、树叶与水作为原料，以镁盐、铝盐和含硅化合物这几种亲水性的盐作为添加剂，制备得到炭-铝镁硅复合材料作为铅离子吸附材料，这些亲水性的盐不仅能够有效地改善炭表面疏水性特点及化学稳定性和机械表强度，同时赋予炭的多孔性和表面化学性质，增强重金属离子对吸附剂表面的亲和性，改善了传统活性炭表面疏水性的问题，使得制备出的铅离子吸附材料在去除水体中铅离子Pb(Ⅱ)的能力上有了显著提高。
并且，由于原料中树叶的多级孔结构有利于吸附材料多孔结构的形成，而生物质碱性表面对重金属的吸附与沉淀具有协同作用，从而进一步增强了材料对铅离子的吸附性能。
上述实施例中，制备得到的铅离子吸附材料，对Pb(II)吸附容量≥90～162mg/g。
另外，传统工艺改进活性炭表面亲水性的方法主要包括利用硝酸或过氧化氢的湿式氧化改性和利用氧气或臭氧的气相氧化改性，操作较为复杂，成本较为高昂，产品产率低，对仪器设备有较为明显的腐蚀，而本发明的制备过程较为简单，成本低廉，对设备材料无明显腐蚀，适用于大规模铅离子污染废水的净化处理。
另外，由于是以废弃建筑沥青为碳源，通过建筑垃圾综合利用生产具有附加值的环保产品，变害为利，变废为宝；由于废弃建筑沥青廉价易得，实现了资源的二次利用，解决了活性炭制备的原料问题，对环境友好。
综上，上述实施例所提供的方法具有生产成本低、工艺简单、吸附性好、铅离子去除率高、对环境友好等优点。
以上六个实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的铅离子吸附材料及其制备方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。