[发明专利]用于废水处理的羟基磷灰石-壳聚糖复合材料及其制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明属于重金属废水处理技术领域，具体涉及一种去除废水中重金属离子的羟基磷灰石-壳聚糖复合材料及其制备方法。

(二)背景技术

工业废水中重金属排放引起的水体污染已成为一个全球性的环境问题。废水中重金属离子如Hg²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺等，它们不能生物被降解，并且会在生物体中累积，进而通过食物链对动植物和人体造成危害。因此，对含重金属废水的治理一直是人们关注和研究的重点与难点(应用化工2005，34：415～418；J.Hazard.Mater.2008，159：294～299)。

目前对重金属废水的治理方法包括化学沉淀法、物理吸附法、离子交换法、溶剂萃取法、生物吸附法等。其中，以环境友好矿物材料(如磷灰石、蒙脱石、膨润土、硅藻土等)固定重金属离子的处理技术具有选择性好、去除率高、工艺简单易行、经济适用等优点(安全与环境学报2001，1：9～12)，目前广泛用于废水治理和有价值重金属元素的回收。

羟基磷灰石(hydroxyapatite，简称HA)是磷灰石矿物中的一种，化学式为Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，由于HA特殊的晶体化学结构及表面特性决定了HA具有良好的吸附与离子交换性能，特别是对多种金属离子具有广泛的容纳性和良好的吸附固定作用(武汉化工学院学报1998，20(1)：39～42)，与环境具有良好协调性，同时，被吸附的重金属离子可固化在HA晶格中而不出现解吸，不易造成二次污染，因此，HA在污水处理领域具有十分广阔的应用前景。

近年来，国内外不少学者在HA的形貌、粒度控制及表面改性方面开展了一系列研究。控制HA的形貌及粒度的目的在于改善HA的结构和物理化学性质，使其成为多孔结构，细化其颗粒形成纳米级材料，可增加其比表面积，进一步增强HA对重金属离子的吸附性能。但是HA纳米级粒子极易团聚，会导致其流动性降低，这对吸附极为不利。为了克服这一不足，人们将HA与某些高分子复合，使HA纳米粒子在高分子介质中呈稳定的单分散状态，改变了纳米颗粒的表面状态，因此，形成的复合材料与单一的HA矿物材料相比具有更强的吸附性能。S.H.Jang、U.Ulusoy等人的研究表明聚丙烯酰胺(polyacrylamide，简称PAM)与HA形成的复合材料HA-PAM对Pb²⁺及Th⁴⁺具有较强的脱除能力(J.Hazard.Mater.2008，159：294～299；J.Hazard.Mater.2009，163(1)：98～108)

壳聚糖(chitosan，简称CTS)是一种聚阳离子多糖类天然生物高分子，它是甲壳素分子脱除乙酰基的产物，而甲壳素是一种丰富的自然资源，广泛存在于甲壳类动物、昆虫和其它无脊椎动物外壳中，因此壳聚糖来源广泛、取材方便。壳聚糖分子中的氨基以及与氨基相临的羟基能与许多金属离子(如Hg²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Pb²⁺、Ca²⁺、Ag⁺等)形成稳定的螯合物，对重金属离子有螯合吸附作用。此外，壳聚糖还可以有效地吸附水中带负电荷的微粒，而且它能够完全被生物降解，不造成环境污染，因此，壳聚糖被广泛用于重金属废水的治理及自来水净化(东北大学学报2001，22：77～79；化工环保2005，25：350～352)。一些以壳聚糖为絮凝剂处理工业废水的研究表明，壳聚糖对Pb²⁺、Cd²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺的去除率均大于95％，处理后的废水可达到国家排放标准(污染防治技术1996，18：4～6)。壳聚糖是可生物降解的、高效重金属生物吸附剂，对重金属选择性好、去除率高，但目前尚存在吸附速度慢和处理成本高等不足之处。

综上所述，纳米级HA及壳聚糖对重金属离子均有很好的吸附性能，它们在重金属污染环境修复中的应用受到了人们的高度关注，但关于纳米HA与壳聚糖形成的复合材料(纳米羟基磷灰石-壳聚糖，HA-CTS)对重金属水污染治理的研究还未见报道。

(三)发明内容