[发明专利]富氨基化合物修饰的壳聚糖-锆复合凝胶球及制备与应用

说明书

本发明涉及一种富氨基化合物修饰的壳聚糖‑锆复合凝胶球及制备与应用，所述富氨基化合物交联接枝在所述壳聚糖‑锆(IV)复合凝胶球上。所述的方法包括：向含锆离子和壳聚糖凝胶的前驱体溶液加入氨水溶液，形成壳聚糖‑锆(IV)复合凝胶球；将所述壳聚糖‑锆(IV)复合凝胶球、交联剂和富氨基化合物共同配制混合溶液，加热反应得到富氨基化合物修饰的壳聚糖‑锆(IV)复合凝胶球。由于该凝胶球材料表面引入了丰富的氨基基团和对水中磷酸根具有强吸附性能的锆(IV)，本发明制得的复合凝胶球对磷酸根有良好的吸附性能，理论最大吸附量高达103.96mg‑P/g，重复使用5次后吸附能力维持稳定，且具有良好的柱吸附特性。

技术领域

本发明属于水处理领域，特别涉及一种富氨基化合物修饰的壳聚糖-锆(IV) 复合凝胶球及其制备方法和应用。

背景技术

磷酸盐，作为一种不可再生的营养物质，是所有生物生长不可缺少的。然而，它的广泛使用导致过量的磷以污水排放或径流形式进入自然环境，从而导致水体富营养化。近年来，考虑到环境保护和磷资源的可持续利用，从污水中高效去除并回收磷资源成为广泛关注的议题。通过添加镁盐和钙盐形式鸟粪石作为肥料的沉淀法被认为是一种极具潜力的磷回收技术，然而只有当水中磷浓度高于50 mg-P/L时，这种方法被认为经济有效。对于低浓度的含磷污水，吸附法依然具有较高的磷去除率，还具有成本低、工艺简单、不产生污泥以及磷的潜在回收等优势。但是大多数吸附剂存在着低吸附容量、回收分离困难、使用后不可降解以及成本高等问题，影响实际应用。因而，开发一种廉价、高效、易回收、环境友好的吸附材料解决磷污染及资源回收问题显得迫在眉睫。

近年来，资源丰富、环境友好的生物质聚合物比如壳聚糖应用于吸附剂的制备成为研究热点。壳聚糖分子的骨架上含有丰富的氨基(-NH₂)和羟基(-OH) 等官能团，可充当协调和反应位点，通过氢键、静电引力、离子交换以及范德华力等作用形式，对水中各种阴离子(如HPO₄^2-、H₂PO₄^-和NO₃^-)具有强吸附能力。此外，壳聚糖的一大优点是可以形成凝胶球，易于与水分离，从而提高吸附性能，便于实际应用。然而，纯壳聚糖凝胶球存在着吸附能力较低，机械性能较差和不可重复使用等缺点，需通过化学改性例如负载金属离子，增强机械性能和增加吸附位点，从而提高吸附能力。

由于锆(IV)基材料对磷酸根离子具有极强的亲和力，常被用来制备除磷吸附剂。此外，锆(IV)的引入可提高材料的稳定性，改善吸附性能。为此，我们以锆 (IV)离子作为交联离子，制备一种壳聚糖-锆(IV)复合凝胶球(CS-Zr)。由于氨基功能化材料在去除磷酸根离子方面体现出良好的吸附性能，可通过在壳聚糖-锆 (IV)复合凝胶球表面接枝含氨基基团的物质例如多乙烯多胺(PEPA)，进一步改善除磷性能。诸如多乙烯多胺等环境友好、含有丰富氨基基团的功能聚合物可交联接枝到CS-Zr表面形成新型富氨基化合物修饰的壳聚糖-锆(IV)复合凝胶球，增加活性位点，使得吸附能力显著提高。

发明内容

本发明的目的是，针对大多数除磷吸附剂存在吸附能力和稳定性较差以及分离回收较难等问题，提供了一种富氨基化合物修饰的壳聚糖-锆(IV)复合凝胶球及其制备与应用，其中将锆(IV)引入壳聚糖凝胶球网络结构中，可提高纯壳聚糖凝胶球的吸附能力和稳定性；与此同时，利用富氨基化合物对凝胶球表面改性，增加活性位点，可进一步改善吸附剂的除磷性能。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种富氨基化合物修饰的壳聚糖-锆(IV)复合凝胶球，所述富氨基化合物交联接枝在所述壳聚糖-锆(IV)复合凝胶球上。

使用Langmuir模型(公式如下)计算，富氨基化合物修饰的壳聚糖-锆(IV) 复合凝胶球的理论最大吸附量优选为70mg-P/g以上，再优选为80mg-P/g以上，更优选为90mg-P/g以上，最优选为100mg-P/g以上。