一种磁性壳聚糖/生物炭复合材料去除废水中五价砷的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于环境功能材料和水处理新技术领域，具体地说是采用一种磁性壳聚 糖/生物炭复合材料去除废水中五价砷的方法。
【背景技术】
[0002] 砷的来源包括自然来源和人为活动，地热和地下水的自然活动是主要的自然来 源;人为活动，如采矿业、饲养业、护林业等会大量的排放砷污染物，从而给生态系统带来严 重的影响。人体一旦摄入足够量的含砷污染物会引发一系列的疾病，尤其是对肺部和泌尿 系统的影响。无机砷的主要存在形式是三价砷(AsOA)和五价砷(AsOA)。虽然五价砷相较 于三价砷毒性比较小，但是其在一般条件下非常稳定，很难去除，而且五价砷在一定条件下 也易转化为毒性更大的三价砷。因此，为了保护生态环境和人类身体健康，有效地去除水环 境中的五价砷也是非常必要的。目前，降解五价砷的主要方法有膜处理技术、离子交换法、 氧化还原法、絮凝法、吸附法等。同其他方法相比，由于吸附法的经济性、有效性和环保性而 被广泛应用。常用的吸附剂有活性炭、碳纤维材料、黏土矿物和一些氧化物等。在实际应用 中，由于材料的昂贵、吸附能力不足、不易分离而限制了很多吸附剂的应用，故制备一种能 够解决这些问题的吸附剂具有重大的现实意义。
[0003] 生物炭作为一种天然材料，一直是水处理领域的研究热点，尤其是作为吸附材料 的应用。生物炭是运用生物质通过高温热解方法在缺氧或少氧条件下形成的一类含碳量较 高的固体材料，其表面疏松多孔、含有丰富的官能团，并因其价格低廉、来源广泛、环境相容 且不会造成二次污染而被广泛应用。但是由于其有限的吸附位点和在吸附后很难从废水中 分离而限制了其实际应用。壳聚糖是由几丁质脱乙酰化得到的天然高分子化合物，具有良 好的可降解性和环境相容性。壳聚糖分子中大量的羟基和氨基使其易于化学改性并具有较 强的反应能力，便于与五价砷离子发生螯合，从而达到去除五价砷的目的。而且，将磁流体 与其相结合，并通过戊二醛的交联作用，将带有磁流体的壳聚糖嫁接到生物炭基体上，使该 复合材料具有较强的吸附性能及分离能力。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种吸附容量大、成本低、 制备简单且易分离的去除废水中五价砷的方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种利用磁性壳聚糖/生物炭复 合材料去除废水中五价砷的方法，所述方法包括以下步骤:取一定量的含五价砷废水，将一 定量的磁性壳聚糖/生物炭复合材料添加到废水中，在水浴恒温振荡箱中吸附，反应完成后 用磁铁将复合材料从废水中分离，完成对废水中五价砷的去除。
[0006] 上述技术方案中，所述磁性壳聚糖/生物炭复合材料由以下步骤制得：
[0007] (1)取0.4~0.6mol的FeCl3 · 6H2O与0.2~0.4mol的FeCl2 · 4H2〇融入200~240mL 超纯水中，混合均匀，在50~60°C水浴条件下逐滴加入lmol/L NaOH溶液，直至pH为8.5~ 9.5，搅拌IOmin后，并调节温度上升至60~70°C，再加入0.6~0.8mL吐温80，持续搅拌30~ 50min后调节pH至中性，洗涤3~5次，并在30~50°C下超声分散40min，定容后，得到质量浓 度为30~40g/L的磁流体；
[0008] (2)取2~4g壳聚糖溶于体积百分数为1~2%的乙酸溶液中，配制成质量百分数为 2~4 %壳聚糖溶液。
[0009] (3)将水稻生物质在空气中自然干燥2~4天，然后在50~60°C条件下干燥48h，研 磨，过150目筛。把过好筛处理过的水稻生物质放入管式炉中，400~600°C，通N2，烧1~2h， 即得到水稻生物炭。最后将所得生物炭研磨，再过150目筛；
[0010] (4)将步骤(2)中的壳聚糖溶液加入到三颈烧瓶中，将三颈烧瓶置于恒温水浴锅中 保持反应温度50~60°C，在转速200~400转/分钟条件下，向三颈烧瓶中逐滴加入10~20mL 步骤（1)中的磁流体，搅拌30分钟后，取1~2g步骤(3)中的生物炭，加入到三颈烧瓶中，继续 搅拌50~60分钟，加入4~5mL 25 %戊二醛溶液后，搅拌直至形成凝胶，然后用Imol/L的 NaOH调节pH为8.0~10.0，继续搅拌1~2h，所得产物经冷却，分离、洗涤至中性后，50~60°C 烘干、研磨、过150目筛，即得到磁性壳聚糖/生物炭复合材料。
[0011] 上述技术方案中，所述废水中五价砷离子的浓度优选控制在0.2~50mg/L(最优选 为10mg/L~20mg/L)。
[0012] 上述技术方案中，所述含五价砷的溶液中吸附剂的用量优选为1~2g/L。
[0013] 上述技术方案中，所述吸附反应的pH值优选为3~11(最优选为4~6)。
[0014] 上述技术方案中，所述吸附反应温度优选为10~50°C(最优选为25~45°C)。
[0015]上述技术方案中，所述吸附反应时间优选为0~24h。
[0016] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0017] 1.本发明的磁性壳聚糖/生物炭复合材料吸附位点多，吸附容量大，对废水中五价 砷去除能力较高。
[0018] 2.本发明的磁性壳聚糖/生物炭复合材料，主要原材料壳聚糖、生物炭来源广泛， 价格低廉，较易获得，且环境相容，易于降解，无二次污染。
[0019] 3.本发明的磁性壳聚糖/生物炭复合材料制备工艺及操作简单，生产周期短，产品 回收率高，能够有效实现工业化生产。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明实施例1中磁性壳聚糖/生物炭复合材料的扫描电镜图；
[0021] 图2为本发明实施例1中磁性壳聚糖/生物炭复合材料的红外光谱示意图；
[0022] 图3是本发明实施例1中磁性壳聚糖/生物炭复合材料的磁滞曲线和其在外加磁场 下分离效果示意图。
【具体实施方式】
[0023]以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0024] 实施例1:
[0025] -种本发明所述的磁性壳聚糖/生物炭复合材料，该复合材料的制备方法如下：
[0026] 1.吸附剂的制备
[0027] (1)取0.6mol的FeCl3 · 6H20与0.4mol的FeCl2 · 4H20融入240mL超纯水中，混合均 匀，在55°C水浴条件下逐滴加入lmol/L NaOH溶液，直至pH为9，搅拌IOmin后，并调节温度上 升至65°C，再加入0.8mL吐温80,持续搅拌30min后调节pH至中性，洗涤3次，并在40°C下超声 分散40min，定容后，得到质量浓度为40g/L的磁流体；
[0028] (2)取2g壳聚糖溶于体积百分数为2%的乙酸溶液中，配制成质量百分数为2%壳 聚糖溶液。
[0029] (3)将水稻生物质在空气中自然干燥2天，然后在60°C条件下干燥48h，研磨，过150 目筛。把过好筛处理过的水稻生物质放入管式炉中，45〇1，通犯，烧2h，即得到水稻生物炭。 最后将所得生物炭研磨，再过150目筛；
[0030] (4)将步骤(2)中的壳聚糖溶液加入到一个三颈烧瓶中，将三颈烧瓶置于恒温水浴 锅中保持反应温度50°C，在转速300转/分钟条件下，向三颈烧瓶中逐滴加入IOmL步骤（1)中 的磁流体，搅拌30分钟后，取Ig步骤(3)中的生物炭，加入到三颈烧瓶中，继续搅拌60分钟， 加入4mL 25%戊二醛溶液后，搅拌直至形成凝胶，然后用lmol/L的NaOH调节pH为9，继续搅 拌2h，所得产物经冷却，分离、洗涤至中性后，60°C烘干、研磨、过150目筛，即得到磁性壳聚 糖/生物炭复合材料。
[0031] 2.对五价砷废水进行处理
[0032] 配制9份15mg/L的五价砷溶液，用lmol/L的盐酸或氢氧化钠调节pH值分别为3、4、 5、6、7、8、9、10、11。加入上述磁性壳聚糖/生物炭复合材料，吸附剂用量为以/1。分别置于水 浴恒温振荡箱中，保持温度为25°C，转速为150转/分钟，振荡24h后用磁铁将复合材料从废 水中分离，完成对五价砷废水的处理。用原子荧光仪测定废水中未被吸附的五价砷离子的 浓度的含