一种用于去除水中重金属离子的生物质基吸附材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种用于去除水中重金属离子的生物质基吸附材料及其制备方法和应用。所述生物质基吸附材料包括基体材料以及无机粒子；所述生物质基体材料的比表面积为1m

【技术实现步骤摘要】
一种用于去除水中重金属离子的生物质基吸附材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及生物质材料表面功能化制备水处理吸附材料领域。更具体地，涉及一种基于生物质材料负载无机粒子复合物对水中重金属离子进行高效吸附的材料及其制备方法。
技术介绍
“重金属”是对原子密度大于6g·cm-3的一类金属和非金属的总称，在环境污染方面所说的重金属主要是指汞、镉、铅、铜、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重元素。铜作为人体必需的微量元素，成人每日需要量约为20mg，而过量铜的摄入会导致呕吐、昏迷、心血管疾病和威尔逊病(铜代谢异常引起的神经性或肝的疾病)。我国在2012年发布的生活饮用水卫生标准(GB5750-2012)中规定，饮用水中铜的限值为1.0mgL-1。铬的摄入对呼吸道、消化道、皮肤、粘膜均有刺激，长期接触会引起慢性中毒，严重者会造成呼吸系统的癌变。国际癌症研究机构(IARQ)已确认六价铬化合物具有致癌性。我国在2012年发布的生活饮用水卫生标准(GB5750-2012)中规定，饮用水中铬的限值为0.05mgL-1。大量铅的摄入会引起脑部的病变，我国在2006年发布的生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)中规定，饮用水中铅的限值为0.01mgL-1。随着工业化进程的不断推进，我国工业废水的排放也在逐年增加，这些重金属离子会随着工业废水的排放而进入水系统中，因此重金属离子的去除已然成为水处理的一个重要方面。针对处理重金属对环境造成污染这一问题，已经有很多研究和报道。主要分为几个方面：物化法(化学沉淀法，氧化还原法，气浮法，絮凝法)、生物法(植物提取修复法)、膜分离技术、催化法、吸附法等。吸附法具有成本低廉、易于操作、高效多样、可重复利用等多种特点，在处理重金属废水中是最常用也是最有效的方法之一。很多材料可以用来做吸附剂，例如天然矿物类、壳聚糖类、氨基改性介孔硅类、微生物类等等。这些普通的吸附剂在水处理中会有一个问题，即吸附剂不容易脱除，脱除吸附剂的过程不仅浪费时间，还会增加额外的成本。另外，生物质材料尤其是农业废弃物是一种非常丰富且价廉的资源。在中国，仅仅作为农业废料的麦秸秆年产量就可以达到6亿吨。因此，如果能将生物质材料充分利用，提供一种易于快速脱除的用于去除水中重金属离子的生物质基吸附材料，将会有巨大的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提供一种绿色、高效、成本低廉的用于去除水中Cu2+、Cr2O72-、Pb2+等重金属离子的生物质基复合吸附材料，这种复合吸附材料负载有含有铁的无机磁性粒子以及含有镁的无机粒子，可以高效的吸附水中重金属离子，使水中重金属含量远低于国家标准，且可以在外加磁场作用下快速从水中去除。同时所述的生物质基吸附材料具有更广的吸附范围和更高的吸附容量。本专利技术的另一个目的在于提供一种用于去除水中重金属离子的生物质基吸附材料的制备方法。该制备方法简单快速，且可操作性强。本专利技术的第三个目的在于提供一种用于去除水中重金属离子的生物质基吸附材料的应用。为达到上述第一个目的，本专利技术采用下述技术方案：一种用于去除水中重金属离子的生物质基吸附材料，所述生物质基吸附材料包括生物质基体材料以及负载在生物质基体材料表面的无机粒子；所述生物质基体材料的比表面积为1m2/g-100m2/g；所述无机粒子包括含铁的无机磁性粒子以及含镁的无机粒子；所述无机粒子负载量为吸附材料总量的10-70wt％。本专利技术的吸附剂具有两个特点，一是具有磁性，二是能够吸附重金属离子。负载的含铁的无机磁性粒子是为了使吸附剂具有磁性，而所负载的含铁的无机磁性粒子对重金属离子并无吸附作用。负载的含镁的无机粒子是为了吸附重金属离子。所以无机粒子必须同时含有含铁的无机磁性粒子以及含镁的无机粒子。优选地，所述生物质基体材料选自天然草本植物或木本植物。优选地，所述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或多种；所述木本植物选自树木的落叶和/或木屑。优选地，所述农作物秸秆选自麦草、稻草、玉米秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆、红薯秧中的一种或多种。更优选的，所述农作物秸秆选自麦草秸秆，即麦秸秆。优选地，所述含铁的无机磁性粒子为Fe3O4，所述含镁的无机粒子为Mg(OH)2。含铁的无机磁性粒子Fe3O4可以使吸附剂具有磁性，含镁的无机粒子Mg(OH)2可以高效吸附水中的重金属离子。本专利技术所述生物质基吸附材料吸附的重金属离子为Cu2+、Cr2O72-和Pb2+。本专利技术用于去除水中重金属离子的生物质基材料，是选用农业废弃物——麦秸秆作为所述吸附材料的生物质基体材料；在所述的生物质基体材料的表面通过原位共沉淀法负载含有铁的磁性粒子以及含有镁的无机粒子，所负载的无机粒子既可以使所述的生物质基材料带有磁性，又可以与水中的重金属离子发生螯合等物理化学吸附作用，从而将水中的重金属离子除去。生物质材料尤其是麦秸秆材料所富含的羟基可以作为无机粒子的理想着位点。无机粒子成本较低、吸附效率较高，利用生物质材料为基体，将无机粒子负载在其表面，有利于解决由于无机粒子相互聚集从而使其比表面积下降吸附效率降低的缺点。为达到上述第二个目的，本专利技术采用下述技术方案：如上所述的一种用于去除水中重金属离子的生物质基吸附材料的制备方法，包括如下步骤：1)将生物质材料经机械粉碎成1μm-5mm的粉末，得到的生物质材料粉末作为所述生物质吸附材料的生物质基体材料；2)将步骤1)得到的生物质基体材料置于含有Mg2+、Fe2+和Fe3+的水溶液中，在惰性气体(如氮气)的保护下，一定温度下，加入氨水得到反应体系进行反应；通过原位共沉淀方法在生物质基体材料表面负载含铁的无机磁性粒子以及含镁的无机粒子；反应结束后，磁性分离反应产物，使用去离子水反复清洗，干燥，即得到所述用于去除水中重金属离子的生物质基吸附材料。优选地，步骤2)中，所述反应体系中Fe2+与Fe3+的总浓度为0.1-1mol/L，Fe2+与Fe3+的摩尔比为1:2。优选地，步骤2)中，所述反应体系中Mg2+浓度为0.1-1mol/L。经过申请人的大量实验验证，反应体系中，当Fe2+与Fe3+的总浓度为0.1-1mol/L，Mg2+浓度为0.1-1mol/L时，通过调节反应条件，可以使无机粒子尺寸处于微-纳结构，增大吸附效率。Fe2+与Fe3+的摩尔比为1:2时可以形成Fe3O4，使得吸附剂具有磁性。优选地，步骤2)中，所述反应体系中所加入的氨水的体积含量为反应体系的5-25％；氨水的加入方式为逐滴加入。经过申请人的大量实验验证，氨水的体积含量为反应体系的5-25％时，可以使反应体系中的无机粒子完全反应。优选地，步骤2)中，反应的温度为50-100℃，反应的时间为3-12小时。在50-100℃温度下，反应可生成Fe3O4和Mg(OH)2，通过控制反应时间可以控制生成无机粒子的颗粒大小。所述的在生物质材料粉末表面负载的含有铁的无机磁性粒子和含有镁的无机粒子，是通过含铁的金属离子和含镁的金属离子与碱反应，在生物质材料表面原位负载，其负载的无机粒子的量占复合吸附材料总重量的10wt％-70wt％。所述的负载含有铁的无机磁性粒子以及含有镁的无机粒子主要为Fe3O4以及Mg(OH)2无机粒子。与现有技术相比，本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于去除水中重金属离子的生物质基吸附材料，其特征在于：所述生物质基吸附材料包括生物质基体材料以及负载在生物质基体材料表面的无机粒子；所述生物质基体材料的比表面积为1m

【技术特征摘要】
1.一种用于去除水中重金属离子的生物质基吸附材料，其特征在于：所述生物质基吸附材料包括生物质基体材料以及负载在生物质基体材料表面的无机粒子；所述生物质基体材料的比表面积为1m2/g-100m2/g；所述无机粒子包括含铁的无机磁性粒子以及含镁的无机粒子；所述无机粒子负载量为吸附材料总量的10-70wt％。2.根据权利要求1所述的一种用于去除水中重金属离子的生物质基吸附材料，其特征在于：所述生物质基体材料选自天然草本植物或木本植物。3.根据权利要求2所述的一种用于去除水中重金属离子的生物质基吸附材料，其特征在于：所述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或多种；所述木本植物选自树木的落叶和/或木屑。4.根据权利要求3所述的一种用于去除水中重金属离子的生物质基吸附材料，其特征在于：所述农作物秸秆选自麦草、稻草、玉米秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆、红薯秧中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的一种用于去除水中重金属离子的生物质基吸附材料，其特征在于：所述含铁的无机磁性粒子为Fe3O4，所述含镁的无机粒子为Mg(OH)2。6.根据权利要求1-5任一所述的一种用于去除水中重金属离子的生物质基吸附材料，其特征在于：所述生物质基吸附材料吸附的重金属离子为Cu2+、Cr2O72-和Pb2+。7.如权利要求1所述的一种用于去除水中重金属离子的生物质基吸附材料的制备方法，其特征在于，包括如下步...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴敏，黄勇，黄大勇，李博轩，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11