[发明专利]一种吸附重金属的改性纤维素气凝胶的制备方法

说明书

本发明涉及一种吸附重金属的改性纤维素气凝胶的制备方法，属于天然高分子改性材料技术领域。玉米秸秆经风干后去皮、剪切，得到合格玉米桔穰原料，将合格玉米桔穰原料采用酸性亚氯酸钠法脱除木素，继而利用氢氧化钾水溶液提取得到玉米桔穰纤维素；利用金属溶液对得到的玉米桔穰纤维素进行加热溶解，溶解液滴加入乙醇浴里再生形成纤维素气凝胶；利用接枝共聚反应对得到的纤维素气凝胶进行改性，反应完毕，产物去杂、净化、干燥后，得到吸附重金属的改性纤维素气凝胶。本方法利用资源丰富但以开发深度尚浅的玉米秸秆为原料，提取其秸穰纤维素，继而利用溶解和再生技术制备纤维素气凝胶，进而接枝共聚反应得到改性纤维素气凝胶吸附剂。

技术领域

本发明涉及一种吸附重金属的改性纤维素气凝胶的制备方法，属于天然高分子改性材料技术领域。

背景技术

重金属离子对水的污染是一个世界性的问题，鉴于从社区和各个行业收集的废水必须流回大海或陆地，所以重金属离子对水的污染一直以来是一个全球关注的话题^[1]。导致水环境重金属污染的有电镀、选矿和制革等许多工业排放的废水、废气和废渣等；另外，出现重金属污染的还有一些军事基地附近的土壤、地下水和地表水中。重金属对环境的危害性突出表现为：不能生物降解，倾向于在活的机体中富集，导致各种疾病和机能紊乱等^[2]。废水中常见的重金属离子主要为Cu²⁺、Cd²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺和Zn²⁺等。传统的水中重金属去除方法主要有化学沉淀法，吸附法，离子交换法，膜分离等，其中吸附是去除低浓度废水中重金属离子广泛采用的技术。吸附法是充分利用多孔固态吸附材料，通过吸附作用，吸附剂表面承载着被吸附的重金属离子，因而可有效去除重金属离子。此外，由于大多数吸附过程的可逆性质，吸附可以通过适当的解吸过程重新生成。虽然活性炭是重金属最广泛使用的吸附剂，但其生产成本较高，其再生时间和能耗都比较高。经查文献得知，生物质对重金属的吸附是一个快速反应过程，该反应可在20至30min内达到平衡，且pH值对生物质吸附阳离子型重金属有很大的影响，吸附量随pH值上升而增加，当pH值在达到4.5以上时吸附可达到较高水平^{[3, 4]}。因此，利用具有低成本、高效率和可再生等特点的生物质吸附材料作为吸附剂来使用日益受到重视。由于具有来源丰富和化学性质稳定、制备时操作简单、经处理后比表面积较大、易被化学改性等特点，农业废弃物在污水处理方面的应用得到了重视^[5]，玉米秸秆便是其中之一。在此之前，玉米秸秆主要用作动物饲料和农村生活燃料，现在利用玉米秸秆制备重金属吸附剂不但解决了重金属离子污染问题，在环保方面还达到了“以废治废”的效果，大大提高了秸秆的利用率。

生物质材料中的多种高分子成分由于含有大量活性官能团，易于后期改性，从而起到高效、快速地去除废水中的重金属离子的作用。本发明中的重金属吸附剂是由纤维素改性得到。在天然高分子改性研究的范畴中，纤维素主要由各种植物原料制备得到，自然界中植物的种类繁多，各种植物的资源量不尽相同，每类植物的价值也各不相同，不同植物原料中的纤维素微观构造和结构也相差较大，而玉米秸秆属于较容易得到的一种廉价植物原料，所以本发明探讨了利用玉米秸秆制备重金属吸附剂且利用不同的制备条件来提高生物质的吸附能力，有利于生物聚合物在重金属吸附中的广泛应用。不仅如此，对生物质材料进行改性也有极大的作用，其改性的主要目的是为了提高所制备吸附剂的吸附容量，活化更多的吸附位点，改善吸附剂的吸附性能，便于回收再生^[6]。纤维素的改性方法包括物理改性、化学改性和生物改性等，其中最主要的方法是化学改性，包括酯化、醚化、接枝共聚、交联、溶解和再生等技术。如通过对天然纤维素所具有的羟基进行改性后可引入对阳离子具有吸附能力的羧基、磺酸基、磷酸基等，通过交联或接枝，经胺化可制备阴离子吸附剂或经双功能基处理制成两性离子吸附剂，这些吸附剂被广泛用于重金属离子废水、染料废水、有机废水、造纸废水、农业生产废水等的处理^[7]。