[发明专利]具有高除砷容量的以纤维素微结构为模板的纳米复合材料的制备方法及其净化器

说明书

本发明涉及制备基于微晶纤维素的纳米复合材料，其作为用于水净化和相关应用的吸附剂。纳米复合材料包含以纤维素微晶及其衍生物为模板的2线羟基氧化铁的团聚网格。颗粒状纳米复合材料用作从水中去除砷As(III)和As(V)的活性成分，其容量大于98mg/g，其中经过滤的水的砷浓度低于十亿分之十(ppb)。

技术领域

本发明涉及水净化领域，具体而言是用于水净化相关应用的经济并且可持续的颗粒状复合材料的制备，该颗粒状复合材料尤其用于从水中快速去除污染物而无需使用电。

背景技术

廉价并且高效的水净化是工业界最期望的目标之一。此外，由于发展引发的需求，对于饮用水净化也有地理原因或地质原因。现在，饮用水中的砷为102年来全球1.3亿人面临的问题。由于大规模的微生物和化学污染，地表水不安全，而地下水是世界上若干地区提供安全用水的最可靠和最廉价的方式。从30米至100米的深度获取地下水导致在含砷黄铁矿层中的存在下水被砷污染(Bose,P.；Sharma,A.，Role of Iron in ControllingSpeciation and Mobilization of Arsenic in Subsurface Environment(铁在控制地下环境中砷的形态和迁移中的作用)，Water Research，2002，36，4916-4926)。氧气的存在增加了砷在水中的溶解，并且含砷水成为这些地区饮用水的来源。即使砷污染了地表水，但在这些地区地表水受污染的程度较小。先进材料的问题是生产廉价的材料来清除溶解的砷并且制得国际品质的饮用水。虽然已经广泛地将传统材料用于砷缓解，但在这方面纳米材料正在成为重要的替代品(Mohan,D.；Pittman,C.U.，Arsenic Removal from Water/Wastewater Using Adsorbents-A Critical Review(使用吸附剂去除水/废水中的砷-评述)，J.Haz.Mater.，2007，142，1-53)。

传统观点认为，纳米结构随着材料的表面积增加，会增强有毒物质的吸收，从而增加了吸附剂的每单位重量的吸收容量。

许多出版物报道了通过使用生物聚合物作为初始材料去除砷。例如，Sankar等人(Proc.Natl.Acad.Sci.，2013，110，8459-8464)报道了将生物聚合物增强的颗粒状合成纳米复合材料用于廉价的终端水净化。该研发的一个重要突破是在生物分子限制下生产亚稳态材料。在该材料中使用的最重要的生物材料是源自甲壳纲动物的壳聚糖。虽然使用这种生物聚合物的复合纳米结构材料不会将有机碳释放到工艺液流中，但是这种材料的使用会受到批评，因为这种材料来源于动物。正是在这种背景下，认为植物来源聚合物是更好的模板。在最近的报道“Cellulose nanocrystal templated iron oxyhydroxide basedadsorbent for arsenic removal from water and a device thereof(用于除去水中的砷的基于以纤维素纳米晶体为模板的羟基氧化铁的吸附剂及其设备)”(2016年，T.Pradeep等人)中，已经示出了纳米纤维素用于制造这类材料(印度专利申请No.201641027660)。

在本文中，本发明示出了利用微晶纤维素(MCC)及其派生物(如羧甲基纤维素(CMC)、羟乙基纤维素(HEC)和工业级微纤维素(microcellulose)(CP))制造具有同等性能的新材料。对于商业应用而言这种材料的制造是非常重要的，这是因为微晶纤维素是可用于模板合成的最便宜的可持续生物聚合物材料之一。