一种多功能净水沙及其制备方法和应用与流程

本发明涉及净水材料技术领域。更具体地，涉及一种多功能净水沙及其制备方法和应用。

背景技术：

随着工业的发展，各种污水(重金属、农药、细菌、石油)迅猛增加，严重威胁着人类的饮水安全。据统计，全球每年有近7亿人由于缺乏最基本的净水设备，而喝不到纯净的水，造成了难以计数的疾病与死亡。污水处理是关系到人类生存的重要课题。

目前，虽然多种技术手段已经应用到污水处理领域，但这些技术往往只能处理单一种类的污水，并且都存在一些缺陷。其中，以活性污泥处理技术为代表的生物处理技术往往需要大规模基础建设与用地面积，在偏僻地区无法普及，而且处理后的污泥不易清理、易形成二次污染；以液氯、重金属捕捉剂等化学试剂为代表的化学净水技术，易产生对人体有害的化学物质；以膜技术为代表的物理净水技术，耗能较高，成本较高，膜材料不可重复利用，寿命较短。

自然界中，生物蛋白或大分子具有多重的吸附作用。例如，牛奶中的β-乳球蛋白对水中的重金属离子，放射性物质，甚至是细菌都具有净化功能(专利号WO2015140074A1；Amyloid–carbon hybrid membranes for universal water purification.Nature Nanotechnology,2016,11,365)，对于重金属离子也能进行回收再利用。但是，这种牛乳蛋白需要进一步合成为纤维，并加工成膜材料，制备工艺复杂。

沙漠，海滩中的沙子，是世界上最廉价的资源。沙粒粒径小，往往在微米级，具有较大的比表面积，可以成为较好的吸附载体。同时，湿润的沙子具有优异的疏油性(Oil-Water Separation:A Gift from the Desert.Adv.Mater.Interfaces 2016,3,1500650)，能够将石油污水进行油水分离，实现对石油的回收。

因此，本发明提出一种多功能净水沙，解决了现有净水材料除污功能单一，不能循环利用，易产生二次污染的问题。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种多功能净水沙。

本发明的另一个目的在于提供一种多功能净水沙的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种多功能净水沙的应用。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种多功能净水沙，包括沙粒A、生物粘附剂B、银纳米粒子和生物粘附剂C，其重量份数比为100：2～20：0～19：0～10；所述沙粒A选自沙漠沙、河滩沙、海滩沙、二氧化硅微球中的一种或几种；所述生物粘附剂B选自邻苯二酚、多巴胺、白藜芦醇、壳聚糖、单宁酸中的一种或几种；所述生物粘附剂C选自多巴胺、壳聚糖、石墨烯中的一种或几种。本发明采用的生物粘附剂，具有较强的粘附作用，有利于包裹在沙粒表面，且生物相容性较好，能够吸附污水中大部分重金属离子和农药有机物。

优选地，所述沙粒A的粒径为10～200μm。本发明采用廉价的沙子，成本低，易工业化；且沙粒粒径小，具有较大的比表面积，可以成为较好的吸附载体；湿润的沙子具有优异的疏油性，能够将石油污水进行油水分离，实现对石油的回收。

优选地，所述银纳米粒子的粒径为5～20nm。

为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：

一种多功能净水沙的制备方法，包括如下步骤：

将三羟甲基氨基甲烷加入到反应器中，利用盐酸调节pH值至7.5～10，加入生物粘附剂B，在室温下搅拌10～60min，然后加入沙粒A，在室温下搅拌3～24h，转速为400～1000r/min，最后经过洗涤，干燥，制得多功能净水沙。

优选地，一种多功能净水沙的制备方法，包括如下步骤：

1)将三羟甲基氨基甲烷加入到反应器中，利用盐酸调节pH值至7.5～10，加入生物粘附剂组分B，在室温下搅拌10～60min，然后加入沙粒A，在室温下搅拌3～24h，转速为400～1000r/min，最后经过洗涤，干燥，制得初步改性的沙粒；

2)将20～120份步骤1)制得的初步改性的沙粒和3～6份的硝酸银分散在1000～3000份水中，加入2～10份的质量分数为28％的氨水，反应0.5～2h，制得银纳米粒子，再加入0.5～2份的生物粘附剂C，反应30～60min，最后经过洗涤，干燥，得到多功能净水沙。

优选地，所述干燥方法为冷冻干燥，时间为3～12h。

优选地，所述生物粘附剂层的厚度为10～100nm。

为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：

一种多功能净水沙在污水处理领域的应用。

所述污水为含有一种或几种重金属离子、农药、细菌或油类物质的污水。

所述多功能净水沙在污水处理后加入醋酸，可以回收重金属和循环利用净水沙。

本发明的多功能净水沙中，生物粘附剂将制得的银纳米粒子与沙粒紧密粘附，生物粘附剂能够吸附污水中大部分重金属离子和农药有机物，吸附率超过95％；银纳米粒子起到杀菌的作用，灭菌率达到99.9％；同时，湿润的净水沙具有油水分离的效果，除油率同样能到99.9％。另外，通过加入醋酸，能够使多功能净水沙释放吸附的重金属离子，实现重金属的回收与净水沙的循环利用。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明提出的多功能净水沙解决了现有净水材料除污功能单一，不能循环利用，易产生二次污染的问题。

(2)本发明的多功能净水沙可以实现重金属的回收与净水沙的循环利用。

(3)本发明的多功能净水沙对重金属离子和农药有机物的吸附率超过95％，灭菌率达到99.9％，除油率同样能到99.9％。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明实施例4中多功能净水沙进行油水分离的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

一种多功能净水沙的制备，包括如下步骤：

将三羟甲基氨基甲烷与1L水加入到反应器中，利用盐酸调节pH值至8.5，加入2g多巴胺，在室温下搅拌20min，然后加入10g沙漠沙粒已改，在室温下搅拌4h，转速为800r/min，最后经过洗涤，冷冻干燥5h，制得多功能净水沙。

将制得的多功能净水沙用于对重金属污水的净化，过程与结果如下：

将2g多功能净水沙均匀放入直径为30mm的层析柱中，加入50ml，10ppm的六价铬离子溶液，进行过滤，利用电感耦合等离子体光谱仪(icp-oes)检测滤液的铬离子浓度，结果为0.04ppm，重金属除去率达到99.6％。

实施例2

一种多功能净水沙的制备，包括如下步骤：

1)将三羟甲基氨基甲烷与1L水加入到反应器中，利用盐酸调节pH值至8.5，加入2g多巴胺，在室温下搅拌20min，然后加入10g沙漠沙粒，在室温下搅拌4h，转速为800r/min，最后经过洗涤，冷冻干燥5h，制得初步改性的净水沙。

2)将步骤1)中初步改性的沙粒与0.4g的硝酸银分散在100ml水中，加入0.4ml的质量分数为28％的氨水，反应1h，再加入0.7g的多巴胺，反应30min，最后经过洗涤，冷冻干燥5h，得到多功能净水沙。

将制得的多功能净水沙用于对污水中农药有机物4-氨基吡啶的净化，过程与结果如下：

将2g多功能净水沙均匀放入直径为30mm的层析柱中，加入50ml，10ppm的4-氨基吡啶溶液，进行过滤，利用紫外分光光度计检测滤液的4-氨基吡啶浓度，结果为0.14ppm，农药有机物4-氨基吡啶除去率达到98.6％。

实施例3

一种多功能净水沙的制备，包括如下步骤：

1)将三羟甲基氨基甲烷与1L水加入到反应器中，利用盐酸调节pH值至8.5，加入2g多巴胺，在室温下搅拌20min，然后加入100g沙漠沙粒，在室温下搅拌12h，转速为1000r/min，最后经过洗涤，冷冻干燥8h，制得初步改性的净水沙。

2)将步骤1)中初步改性的沙粒与6g的硝酸银分散在2000ml水中，加入0.6ml的质量分数为28％的氨水，反应1h，再加入1g的多巴胺，反应30min，最后经过洗涤，冷冻干燥10h，得到多功能净水沙。

将制得的多功能净水沙用于杀菌，过程与结果如下：

将2g多功能净水沙均匀放入直径为30mm的层析柱中，加入20ml，密度为50000个/ml的新鲜大肠杆菌菌液，进行过滤，取1ml滤液倾注在琼脂培养基上，在37℃下培养48h，记录培养基上中形成的菌落数量，结果为33个，除菌率达到了99.9％。

实施例4

一种多功能净水沙的制备，包括如下步骤：

将三羟甲基氨基甲烷与1L水加入到反应器中，利用盐酸调节pH值至8.5，加入8g多巴胺，在室温下搅拌10min，然后加入100g沙漠沙粒，在室温下搅拌3h，转速为1000r/min，最后经过洗涤，冷冻干燥8h，制得多功能净水沙。

将制得的多功能净水沙用于油水分离，过程与结果如下：

如图1所示，将2g多功能净水沙均匀放入直径为30mm的过滤器中，首先加入40ml亚甲基蓝染色的水，水自由过滤，然后加入40ml油红染色的石油醚，石油醚完全阻隔在沙层之上；再加入亚甲基蓝染色的水，可看见，蓝色的水穿过油层和沙层，落入收集烧杯中，整个过程中，没有红色的油相滴入烧杯中。利用红外测油仪测定多功能净水沙的油水分离效率，可达99.9％。

实施例5

对实施例1中吸附铬离子后的多功能净水沙进行解吸附，过程及结果如下：

将实施例1吸附铬离子的净水沙与100ml体积分数为10％的醋酸混合，静置2h，洗涤，冷冻干燥8h。通过X射线光电子能谱分析，净水沙上的铬元素的特征峰消失，证明铬离子已经解吸附。

结论：本发明提出的多功能净水沙中沙粒和生物粘附剂相互配合，能够吸附污水中大部分重金属离子和农药有机物，此外添加银纳米粒子可以起到杀菌的作用，各组分之间相互配合，协同作用，使其对污水处理的作用效果最优，缺少任一组分都会使得对污水的处理在某些方面有不同程度的减弱。本发明的产品除污功能多样，而且可以循环利用，避免了二次污染的发生。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。