基于乳酸改性的秸秆重金属离子吸附剂及其制备方法和应用与流程

文档序号:11241064阅读:575来源:国知局
本发明涉及植物化学和重金属污染废水治理领域,具体为一种基于乳酸改性的秸秆重金属离子吸附剂及其制备方法和应用。
背景技术
:大量的工业和采矿废水排入水环境,引发了一系列的环境问题。在这些废水中,最常见的是重金属污染物包括cu、pb等,这些重金属即使微量也会对环境生态和人体健康造成损害。其中cu、pb主要来源于采矿、冶炼、电镀、合成橡胶、电缆及电子元件制造、电池制造、颜料、油漆、塑料制造等行业,具有持久性强,难降解,易通过食物链进行富集,毒性大,微量即可危及生命等特点。正是由于重金属的富集作用和生物毒性,重金属被列为首要污染物。cu进入人体之后会通过破坏质膜完整性损害胃肠道和中枢神经系统,造成皮炎、肾损伤、溶血性黄疸、肾衰竭等,严重时还会致癌。pb是通过抑制酶的功能,干扰酶的合成损害骨造血系统与神经系统,造成贫血、小儿多动症、运动失调、中枢神经系统功能障碍、高血压等问题。基于重金属的种种危害,相关工厂必须将废液进行系统处理后才能排放。常用的处理方法有:化学沉淀法、化学氧化还原法、离子交换法、膜分离法、电化学法、活性炭吸附以及生物吸附法等。这些方法虽然广泛应用于工业实践中,但存在成本高、易产生化学污泥、且对于浓度低于100mg/l的重金属离子而言,效果反而不甚不理想。因此,寻找新的处理方法迫在眉睫。秸秆是农作物生产加工过程中的副产物,每年的产量巨大。中国作为农业大国,秸秆的处理处置一直都是麻烦问题。尽管一直在响应号召秸秆的绿色循环利用,但由于经济、技术等多方面的因素始终限制着秸秆的利用,使得其利用率较低。综合国内外的科技研究结果,秸秆的用途主要是用作能源、饲料、还田及材料方面。近年来,秸秆在重金属吸附方面取得了较大的进展,使秸秆的资源化利用引起了广泛的关注。秸秆作为一种新型的生物吸附剂,具有成本低、可再生、效果好、产量大等特点,其主要元素组成是c,h,o,n,主要化学结构是纤维素、半纤维素和木质素等粗纤维,富含羰基、羧基、羟基、氨基等具有络合能力和离子交换能力的活性官能团。与此同时,秸秆属于多孔性物质,具有较大的表面积,因此对重金属具有较理想的吸附作用。为进一步增强其对重金属的吸附效果,对秸秆进行改进改性研究成为研究热点,如胡振东等报道了采用naoh预处理和高锰酸钾氧化对稻草秸秆进行改性,进而用于对重金属铅的吸附(胡振东,杨英,赵庆.改性稻草秸秆对重金属铅的吸附性能研究[j].安徽建筑大学学报,2016,24(2):51-58.);陈素红研究了将玉米秸秆的纤维素分子链中的结合键打开,引入新的官能团,改变纤维素固有的特性,从而制备出对六价铬离子具有较高吸附容量的玉米秸秆纤维素类吸附剂(陈素红.玉米秸秆的改性及其对六价铬离子吸附性能的研究[d].山东大学,2012.);丁杨等报道了以盐酸为改性剂对稻草秸秆进行改性,进而对对cr(ⅵ)进行吸附研究(丁杨,张丽鑫,权跃,等.盐酸改性稻草秸秆对cr(ⅵ)的吸附研究[j].安徽农业科学,2014(31):11055-11057.)。然而,上述改性研究普遍存在改性剂价铬偏高或,改性方法复杂繁琐,改性后的吸附剂对重金属吸附效果提升不明显等缺点,因此需要对秸秆改性进行进一步研究。技术实现要素:针对上述现有技术的不足,本发明提供一种基于乳酸改性的秸秆重金属离子吸附剂及其制备方法和应用。本发明先采用naoh对秸秆进行预处理,然后使用乳酸水溶液进行改性,通过乳酸改性,将羧基引入纤维素中,明显增加氧元素和羧基含量,从而显著提高秸秆对重金属特别是对铜、铅离子的吸附率。具体的,本发明的技术方案如下:本发明的第一方面公开了乳酸在对秸秆进行改性以制备秸秆重金属离子吸附剂中的应用。本发明的第二个方面,公开了基于乳酸改性的秸秆重金属离子吸附剂的制备方法,包括:(1)将秸秆粉粹后置于naoh溶液中搅拌处理;(2)将经步骤(1)处理后的秸秆置于乳酸溶液中搅拌处理得秸秆重金属离子吸附剂。优选的,所述步骤(1)中在秸秆粉粹前对秸秆进行预处理,所述预处理方式为用水将秸秆洗净并烘干,进一步优选的,所述烘干温度为60℃;优选的,所述步骤(1)中秸秆粉粹至粒径小于等于0.2mm,将秸秆粉粹,从而有效增大了秸秆的比表面积,同时也有利于后续与改性剂的充分接触,从而提高最终制备产品的重金属吸附效率;但是粉粹粒径越小,其人力物力耗费越大,发明人经过不断实验摸索,最终确定将秸秆粉粹至粒径小于等于0.2mm,即可达到极佳的重金属吸附率;优选的,所述步骤(1)中naoh浓度为0.5~2mol/l(最优为1mol/l),搅拌处理具体条件为:转速为180-220rpm(最优为200rpm),处理时间为1.5~3h(最优为2h);优选的,所述步骤(2)中将naoh处理后的秸秆置于乳酸溶液前先将秸秆置于水中洗涤,待水洗液呈中性,将秸秆取出烘干;将秸秆上残留的naoh除去,防止其与后续的乳酸反应;优选的,所述步骤(2)中乳酸溶液浓度为0.2~0.5mol/l(最优为0.3mol/l),搅拌处理具体条件为:转速为180-220rpm(最优为200rpm),处理时间为1.5~3h(最优为2h);优选的,所述步骤(2)中经乳酸溶液处理后的秸秆置于水中洗涤,待水洗液呈中性,将秸秆取出烘干得秸秆重金属离子吸附剂;优选的,基于乳酸改性的秸秆重金属离子吸附剂的制备方法,包括:(1)将清洗烘干后的秸秆粉粹至粒径小于等于0.2mm,然后置于1mol/l的naoh溶液中进行搅拌处理2h,转速为200rpm,待处理结束后将秸秆置于水中洗涤,待水洗液呈中性,将秸秆取出烘干;(2)将经步骤(1)处理的秸秆置于0.3mol/l的乳酸水溶液中进行搅拌处理2h,转速为200rpm,待处理结束后将秸秆置于水中洗涤,待水洗液呈中性,将秸秆取出烘干即得秸秆重金属离子吸附剂。本发明的第三方面,公开了上述制备方法制备得到的秸秆重金属离子吸附剂。发明人研究发现,先采用naoh对秸秆进行预处理,从而打破秸秆中纤维素分子之间的氢键,改善微孔结构,增大孔隙率和比表面积,提高重金属吸附率;同时,naoh溶液还可以润张纤维素,使得纤维素中束缚住的羟基更多的暴露出来,方便后续羟基的引入;而后续采用乳酸进行改性,其目的在于利用酯化反应,将羧基引入纤维素中,增加氧元素和羧基含量,从而显著提高制备得到的秸秆重金属离子吸附剂对重金属的吸附效率。本发明的第四方面,公开了上述秸秆重金属离子吸附剂在对重金属污染废水中治理中的应用,所述重金属污染废水中的重金属为铜和/或铅。优选的,所述应用具体方法为:将上述秸秆重金属离子吸附剂置于重金属污染废水中进行搅拌处理2h,转速为150rpm,所述吸附剂投加量为6g/l;其中,重金属污染废水ph控制为5~5.5,重金属浓度小于等于100mg/l。本发明的有益效果:(1)本发明首次将乳酸作为改性剂对秸秆进行改性,同时,为进一步提高其改性效果,预先采用氢氧化钠对秸秆进行处理,通过不断优化调整参数,最终制备得到对重金属污染废水具有显著吸附效果的秸秆重金属离子吸附剂,经试验验证,本发明制备得到的秸秆重金属离子吸附剂较未改性前对铜和铅的去除率分别提高了60%和25%,吸附率大幅度提高;(2)本发明制备方法简单、廉价,改性过程不需要引入有毒有害化学试剂,其中改性剂乳酸价格低廉,在改性处理过程中不会损害人员健康,制备得到的吸附剂用于重金属污染废水处理时也不会产生新的污染物进入水体;同时,由于改性后的秸秆并不溶于水,待批量废液处理完之后,易将其收集集中处理。具体实施方式应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
技术领域
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件或它们的组合。正如
背景技术
所介绍的,迄今对秸秆改性进行重金属废水吸附治理效果仍然不佳;有鉴于此,本发明的一种典型的实施方式中,公开了乳酸在对秸秆进行改性以制备秸秆重金属离子吸附剂中的应用。需要说明的是,本发明选用秸秆为小麦秸秆。本发明的又一典型实施方式中,公开了基于乳酸改性的秸秆重金属离子吸附剂的制备方法,包括:(1)将秸秆粉粹后置于naoh溶液中搅拌处理;(2)将经步骤(1)处理后的秸秆置于乳酸溶液中搅拌处理得秸秆重金属离子吸附剂。其中,所述步骤(1)中在秸秆粉粹前对秸秆进行预处理,所述预处理方式为用水将秸秆洗净并烘干,进一步优选的,所述烘干温度为60℃;所述步骤(1)中秸秆粉粹至粒径小于等于0.2mm,将秸秆粉粹,从而有效增大了秸秆的比表面积,同时也有利于后续与改性剂的充分接触,从而提高最终制备产品的重金属吸附效率;但是粉粹粒径越小,其人力物力耗费越大,发明人经过不断实验摸索,最终确定将秸秆粉粹至粒径小于等于0.2mm,即可达到极佳的重金属吸附率;所述步骤(1)中naoh浓度为0.5~2mol/l(最优为1mol/l),搅拌处理具体条件为:转速为180-220rpm(最优为200rpm),处理时间为1.5~3h(最优为2h);所述步骤(2)中将naoh处理后的秸秆置于乳酸溶液前先将秸秆置于水中洗涤,待水洗液呈中性,将秸秆取出烘干;将秸秆上残留的naoh除去,防止其与后续的乳酸反应;所述步骤(2)中乳酸溶液浓度为0.2~0.5mol/l(最优为0.3mol/l),搅拌处理具体条件为:转速为180-220rpm(最优为200rpm),处理时间为1.5~3h(最优为2h);所述步骤(2)中经乳酸溶液处理后的秸秆置于水中洗涤,待水洗液呈中性,将秸秆取出烘干得秸秆重金属离子吸附剂;本发明的又一典型实施方式中,公开了基于乳酸改性的秸秆重金属离子吸附剂的制备方法,包括:(1)将清洗烘干后的秸秆粉粹至粒径小于等于0.2mm,然后置于1mol/l的naoh溶液中进行搅拌处理2h,转速为200rpm,待处理结束后将秸秆置于水中洗涤,待水洗液呈中性,将秸秆取出烘干;(2)将经步骤(1)处理的秸秆置于0.3mol/l的乳酸水溶液中进行搅拌处理2h,转速为200rpm,待处理结束后将秸秆置于水中洗涤,待水洗液呈中性,将秸秆取出烘干即得秸秆重金属离子吸附剂。本发明的又一典型实施方式中,公开了上述制备方法制备得到的秸秆重金属离子吸附剂。本发明的又一典型实施方式中,公开了上述秸秆重金属离子吸附剂在对重金属污染废水中治理中的应用,所述重金属污染废水中的重金属为铜和/或铅。其中,所述应用具体方法为:将上述秸秆重金属离子吸附剂置于重金属污染废水中进行搅拌处理2h,转速为150rpm;重金属污染废水ph控制为5~5.5,重金属浓度小于等于100mg/l,所述吸附剂投加量为6g/l。下面结合实施例及对比例对本发明做进一步的说明。需要说明的是,下述具体实施例及对比例中选用秸秆均为小麦秸秆。实施例1一种基于乳酸改性的秸秆重金属离子吸附剂的制备方法,包括:(1)将清洗烘干(60℃)后的秸秆粉粹至粒径小于等于0.2mm,然后置于1mol/l的naoh溶液中进行搅拌处理2h,转速为200rpm,待处理结束后将秸秆置于水中洗涤,待水洗液呈中性,将秸秆取出烘干;(2)将经步骤(1)处理的秸秆置于0.3mol/l的乳酸水溶液中进行搅拌处理2h,转速为200rpm,待处理结束后将秸秆置于水中洗涤,待水洗液呈中性,将秸秆取出烘干即得秸秆重金属离子吸附剂。实施例2一种基于乳酸改性的秸秆重金属离子吸附剂的制备方法,包括:(1)将清洗烘干(60℃)后的秸秆粉粹至粒径小于等于0.2mm,然后置于0.5mol/l的naoh溶液中进行搅拌处理3h,转速为200rpm,待处理结束后将秸秆置于水中洗涤,待水洗液呈中性,将秸秆取出烘干;(2)将经步骤(1)处理的秸秆置于0.5mol/l的乳酸水溶液中进行搅拌处理2h,转速为220rpm,待处理结束后将秸秆置于水中洗涤,待水洗液呈中性,将秸秆取出烘干即得秸秆重金属离子吸附剂。实施例3一种基于乳酸改性的秸秆重金属离子吸附剂的制备方法,包括:(1)将清洗烘干(60℃)后的秸秆粉粹至粒径小于等于0.2mm,然后置于2mol/l的naoh溶液中进行搅拌处理1.5h,转速为180rpm,待处理结束后将秸秆置于水中洗涤,待水洗液呈中性,将秸秆取出烘干;(2)将经步骤(1)处理的秸秆置于0.2mol/l的乳酸水溶液中进行搅拌处理3h,转速为200rpm,待处理结束后将秸秆置于水中洗涤,待水洗液呈中性,将秸秆取出烘干即得秸秆重金属离子吸附剂。对比例1制备方法同实施例1,不同之处仅在于乳酸溶液浓度为0.1mol/l;对比例2制备方法同实施例1,不同之处仅在于乳酸溶液浓度为1mol/l;对比例3将清洗烘干(60℃)后的秸秆粉粹至粒径小于等于0.2mm得未改性的秸秆重金属离子吸附剂。将实施例1-3、对比例1-3制备得到的秸秆重金属离子吸附剂均置于一重金属工业废水中进行吸附处理,处理方法为:将上述秸秆重金属离子吸附剂分别置于重金属污染废水中进行搅拌处理2h,转速为150rpm;重金属污染废水ph调整为5~5.5,所述吸附剂投加量为6g/l;废水中各重金属含量见表1。表1重金属工业废水中重金属含量(mg/l)成分cu2+ni2+pb2+cd2+总cr浓度50.51.243.22.37.15待处理结束后,取各实施例及对比例组中的废水进行重金属含量测定,计算各重金属去除率,结果见表2。表2各组重金属去除率(%)实施例1实施例2实施例3对比例1对比例2对比例3cu2+80%72%69%32%49%20%ni2+55%50%51%47%52%51%pb2+97%90%86%78%77%72%cd2+43%42%35%32%38%39%总cr51%49%47%48%43%46%由表2可以看出,在对重金属废水采用重金属吸附剂进行重金属吸附时实施例1效果最佳,同时,制备得到的重金属吸附剂较未改性前对cu2+、pb2+吸附效率提升显著,实施例1与对比例3比较可知,其对cu2+去除率提高60%,对pb2+去除率提高25%;但对其他重金属如ni2+、cd2+和总cr等吸附效率提升效果并不明显,这其实也反映了重金属吸附效应和机制的的复杂性;此外,令发明人感到意外的是,乳酸浓度对cu2+、pb2+吸附效率影响明显,高于或低于0.3mol/l,均会导致cu2+、pb2+吸附效率下降,而一旦偏离本发明乳酸溶液的优选浓度,cu2+、pb2+吸附效率则大幅度降低。以上所述仅为本申请的优选实施例而已,并不用于限制本申请,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。当前第1页12
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