[发明专利]用于去除水中砷和氟离子的纤维素基吸附材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纤维素纤维表面功能化制备水处理吸附材料领域，特别涉及一种基于天然纤维素或纤维素衍生物对水中的砷酸根离子、亚砷酸根离子和氟离子进行高效吸附的材料及其制备方法。

背景技术

砷是一种原生质毒物，具有广泛的生物效应，已被美国疾病控制中心(CDC)和国际癌症研究机构(IARC)确定为第一类致癌物质。氟是人体必需的微量元素，在牙齿和骨骼的新陈代谢中起着非常重要的作用。但是一旦人体每日的摄氟量长期超过正常需要时，就会破坏钙、磷的正常代谢，抑制酶的作用，影响内分泌腺的功能。我国对砷、氟这两种元素现行的标准是：饮用水中总砷含量＜0.01ppm，总氟含量＜1ppm。而我国的水质现状是：高砷同时伴随着高氟，内蒙古、新疆、台湾等地饮用水中含砷量高达0.2-2.0ppm，全国农村饮用高氟水(氟含量＞1.5ppm)人口为5085万人。可见为解决我国饮用水中高砷、氟含量问题，研制开发高效除砷及氟的材料是极其必要的。同时，随着水质日益复杂化，今后的水处理技术将朝着同时去除几种物质的方向发展，即除砷的同时要求除氟。目前，国内水质污染状况迫切需要高效、价廉、原位再生并同时除砷、氟新材料，以适应砷、氟的饮水标准日趋严格的要求。

在水中，砷有害物主要以亚砷酸根(AsO₂^-)(III)和砷酸根(AsO₄^3-)(V)两种形式存在，亚砷酸盐在水中的溶解度一般远高于砷酸盐。对于氟有害物，由于F离子半径小，溶解性好，是较难去除的污染物。目前国内外已有的除砷、氟技术，存在许多缺点。首先是砷、氟不能同时去除；其次，现有的除砷技术需要预先将AsO₂^-(III)氧化成AsO₄^3-(V)，工艺复杂；另外，目前大多数是以无机盐类进行除砷、氟，其反应副产物多，处理困难，容易造成二次污染；再有，材料成本高，再生、重复使用困难限制了它们在工业上的应用。

因此，本发明以廉价的天然高分子材料——天然纤维素或以纤维素衍生物为基础，通过控制其组成、形态结构、表面吸附官能团和比表面积，研制开发出基于纤维素基的用于高效去除水中砷酸根离子、亚砷酸根离子和氟离子的纤维素基吸附材料。所述纤维素是无水葡萄糖残基通过beta-1，4糖苷键链接的立体规整性高分子。作为自然界中最丰富的可再生资源和环境友好材料，纤维素的开发利用越来越引起了世界各国的关注。纤维素或其衍生物分子内含有许多亲水性的羟基基团，通过羟基的酯化、醚化、接枝共聚等一系列衍生化反应，可以对其进行改性，在分子中引入具有特定吸附性能的官能团，可制备天然高分子吸附材料。本发明就是在天然纤维素或纤维素衍生物上进行改性，使其带有胺基基团，并通过材料的组成、结构以及形态的控制，以及通过提高材料的比表面积，来实现合成新型砷、氟吸附材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种绿色、高效用于去除水中砷酸根离子、亚砷酸根离子和氟离子的纤维素基吸附材料，这种吸附材料具有较高的比表面积，可以有效地去除水中氟离子、砷酸根离子和亚砷酸根离子，使水中砷、氟含量大大低于国家标准；同时所述的纤维素基吸附材料不仅具有高吸附容量、较宽的工作pH范围，还可以很容易地实现脱附和原位再生。

本发明的再一目的是提供一种用于去除水中砷酸根离子、亚砷酸根离子和氟离子的纤维素基吸附材料的制备方法。

本发明的用于去除水中砷和氟离子的纤维素基吸附材料是用直径为10nm-100μm的天然纤维素或纤维素衍生物的纤维作为吸附材料的基体材料；在所述的纤维素基体材料表面接枝含有胺基基团的聚烯烃，从而使纤维素基体材料表面带有胺基基团；所带的胺基基团可以与水中砷酸根离子、亚砷酸根离子和氟离子发生静电吸引作用，从而将水中的砷酸根离子、亚砷酸根离子和氟离子这些有害阴离子除去。

所述的纤维素基体材料表面接枝有含胺基基团的聚烯烃，其接枝胺基基团的量不少于5wt％。

所述的聚烯烃选自聚甲基丙烯酸二甲胺基乙酯(PDMAEMA)、聚甲基丙烯酸二乙胺基乙酯(PDEA)、聚丙烯酸(PAA)等中的一种。

所述的天然纤维素选自草本植物或木本植物。

所述的草本植物选自农作物秸秆、芦苇、荻苇、芒杆、竹子、草坪的草屑中的一种。

所述的农作物秸秆选自稻草、麦草、玉米秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆、红薯秧中的一种。

所述的木本植物选自树木的落叶或木屑。

所述的纤维素衍生物是带有羟基基团的纤维素酯类或带有羟基基团的纤维素醚类。