具有层级结构的有机无机杂化吸附剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种具有层级结构的有机无机杂化吸附剂及其制备方法和应用。该制备方法通过向Tris‑HCl缓冲溶液中加入离子交换树脂、多巴胺、硫酸铜和过氧化氢，室温下避光反应分离出表面带有粘附剂聚多巴胺的离子交换树脂，再将该树脂加入到亚铁盐溶液中，室温下反应后分离出带有铁的离子交换树脂，接着在PBS缓冲溶液中加入巯基蛋白酶和带有铁的离子交换树脂，室温下反应后分离固体材料并自然晾干，得到具有层级结构的有机无机杂化吸附剂。制备得到的这一吸附剂，能够高效吸附水中铅离子，并解决现有的粉体纳米吸附剂在处理含铅废水时易团聚、流失，难以从处理水体中分离的问题，适用于对重金属污水的处理。

【技术实现步骤摘要】
具有层级结构的有机无机杂化吸附剂及其制备方法和应用
本专利技术重金属污水处理
，特别是涉及一种具有层级结构的有机无机杂化吸附剂及其制备方法。
技术介绍
随着我国经济的快速增长，特别是矿冶、机械、电镀、印染等工业在一定时间内的集中发展，环境中尤其是水体中重金属污染问题日益受到重视。由于汞、铅、镉等重金属具有较强的生物毒性，因此水体重金属污染可对水体生态环境造成巨大危害；并且重金属离子的理化特性与生物体内的铁、钙、钾、钠等离子相近，易于在体内累积，并通过食物链最终进入人体，进而导致严重疾病，甚至威胁人类生命。为了控制水体重金属污染，我国在污水综合排放标准中的13项第一类污染物中，规定了10项重金属污染物排放限值。在众多水体重金属污染的处理方法中，吸附法是一种常规处理方法，其处理流程简单，处理效率高，设备易于模块化，早在几十年前就具有工业规模的应用。重金属吸附剂可分为传统常规材料和新兴纳米材料。传统材料如均已商品化的离子交换树脂及活性炭，离子交换树脂为直径10(-1～0)毫米级的类球颗粒，水处理用活性炭的常见形态包括颗粒和纤维。这类传统吸附剂在水处理流程中的应用广泛，成本低，化学性质及机械性能稳定性高，在设备中容易与处理后出水分离；但比表面积及吸附容量较小，且对目标重金属污染物的吸附效果受水体中的钠、钙、镁等共存离子的影响较大[1-4]。在纳米吸附剂中，金属氧化物/氢氧化物/盐等无机材料表现出优于传统商品化吸附剂的吸附性能，特别是近年来的研究热点之一的纳米铁材料，以对典型重金属铅离子Pb(II)的处理为例，磁性Fe/Mn纳米吸附剂的吸附量可达118.06mg/g,去除率可达到70％，Fe3O4纳米吸附剂的最高去除率为90％，纳米铁FeNPs的去除率为91％[5-7]。纳米铁吸附剂除了具有巨大的比表面积和对水体重金属离子良好的吸附能力外，由于铁是人体及其它众多生物体内原有的常量元素之一，其在制备及应用过程中的生物安全性优于铈、锆、铜、锰等其它金属元素。此外，近年来在纳米材料制备领域出现了以蛋白质诱导合成具有特殊形貌的有机无机杂化纳米材料。这类杂化材料通常兼具有机组分的生物活性和无机组分的稳定性，能在使有机成分的稳定性大幅度提高的同时，材料的活性也得到大幅度的提高，因此在生物、食品及医学领域受到广泛关注。以铜、锰、镍、钴以无机组分，以丝胶蛋白、牛血清白蛋白、卵清蛋白及众多酶类作为有机模板，均可制备相应的纳米花状粉体材料，其应用包括生物传感器、生物催化、制药等[8-12]。但是，由于包括上述纳米吸附剂均为粉体，在水相中易于团聚而失去纳米材料的独特性能，且沉降性差，易于随水流失，难以从处理水体中分离，难以直接装载于吸附柱中使用。参考文献[1]王宝贞.重金属废水处理技术与发展趋势[J].环境科学,1979(01):62-68+38.[2]朱小涛,毛磊,杨宝滋,李振昌,童仕唐.硫化钠改性活性炭对Pb(Ⅱ)的吸附性能研究[J].离子交换与吸附,2016,32(3):222-233.[3]徐家鼏.离子交换树脂的新发展[J].化学世界,1958(02):19-22.[4]李艳.实验室高浓度特殊重金属废水多级离子交换处理技术研究[D].天津大学,2014.[5]赵志伟,何皎洁,刘杰.新型磁性Fe/Mn纳米复合材料对水中铅离子的去除[J].哈尔滨工业大学学报.2012(08):27-30.[6]刘娜.用于去除水中重金属离子的Fe3O4/黑曲霉复合材料的研究[D].吉林大学,2014.[7]曾慎亮,翁秀兰,童玉贵,林伟,陈祖亮.绿色合成纳米铁同时去除水体中的Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)[J].环境科学学报,2015,35(11):3538-3544.[8]GeJun,LeiJiandu,ZareRichardN.Protein-inorganichybridnanoflowers[J].Naturenanotechnology.2012(06):428-432.[9]LinghaoHe,ShuaiZhang,etal.Protein-templatedcobaltousphosphatenanocompositesforthehighlysensitiveandselectivedetectionofplatelet-derivedgrowthfactor[J].BiosensorsandBioelectronics.2015(10):553-560.[10]郝翠婷.蛋白质控制合成的铜纳米簇用于模拟酶研究[D].吉林大学,2017.[11]张园厂.磷酸锰基纳米花杂化材料的制备与应用研究[D].郑州轻工业学院,2015.[12]殷玉清.新型蛋白质-无机盐杂化纳米复合材料的制备及应用研究[D].福州大学,2016。
技术实现思路
基于此，有必要针对现有的粉体纳米吸附剂在处理含重金属废水时易团聚、流失，难以从处理水体中分离的问题，提供一种具有层级结构的有机无机杂化吸附剂及其制备方法和应用。一种具有层级结构的有机无机杂化吸附剂的制备方法，包括以下步骤：(1)向Tris-HCl缓冲溶液中加入离子交换树脂、多巴胺、硫酸铜和过氧化氢，室温下避光反应30～40分钟后分离出表面带有粘附剂聚多巴胺的离子交换树脂；(2)将表面带有粘附剂聚多巴胺的离子交换树脂加入到亚铁盐溶液中，室温下反应2～4小时后分离出带有铁的离子交换树脂；(3)在PBS缓冲溶液中加入巯基蛋白酶和带有铁的离子交换树脂，室温下反应4～6小时后分离固体材料并自然晾干，得到具有层级结构的有机无机杂化吸附剂。上述具有层级结构的有机无机杂化吸附剂的制备方法所制备得到的吸附剂，其表面纳米铁组分为亚10nm级花状层级结构，能够高效吸附水中铅离子，并解决现有的粉体纳米吸附剂在处理含铅废水时易团聚、流失，难以从处理水体中分离的问题，适用于对重金属污水的处理。在其中一个实施例中，所述步骤(1)中Tris-HCl缓冲溶液的pH为8.0～9.0。在其中一个实施例中，所述步骤(1)中离子交换树脂、多巴胺、硫酸铜、过氧化氢的用量为：每1LTris-HCl缓冲溶液中加入5～15g离子交换树脂、2～3g的(HO)2C6H3CH2CH2NH2·HCl、1～2gCuSO4·5H2O、2.5～4.0mL30％的H2O2溶液。在其中一个实施例中，所述步骤(1)中的离子交换树脂为大孔型阳离子交换树脂。在其中一个实施例中，所述步骤(2)中亚铁盐溶液中Fe的浓度为0.02～0.2mol/L。在其中一个实施例中，所述步骤(2)中的亚铁盐为硫酸亚铁或氯化亚铁中的任意一种。在其中一个实施例中，所述步骤(3)的PBS缓冲溶液中巯基酶蛋白酶的浓度为0.5～5g/L，溶液pH为7.2～7.6。在其中一个实施例中，所述步骤(3)中的巯基蛋白酶为半胱氨酸蛋白酶。本专利技术还涉及一种具有层级结构的有机无机杂化吸附剂，通过上述任一制备方法制备得到。本专利技术还涉及上述具有层级结构的有机无机杂化吸附剂在去除水体重金属污染中应用。在其中一个实施例中，本专利技术的具有层级结构的有机无机杂化吸附剂适用于去除水体中的铅离子。在其中一个实施例中，应用本专利技术的具有层级结构的有机无机杂化吸附剂去除水体中的铅离子的具体方法可以为：(1)使吸附剂与含铅水体充分混合；(2)处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有层级结构的有机无机杂化吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)向Tris‑HCl缓冲溶液中加入离子交换树脂、多巴胺、硫酸铜和过氧化氢，室温下避光反应30～40分钟后分离出表面带有粘附剂聚多巴胺的离子交换树脂；(2)将表面带有粘附剂聚多巴胺的离子交换树脂加入到亚铁盐溶液中，室温下反应2～4小时后分离出带有铁的离子交换树脂；(3)在PBS缓冲溶液中加入巯基蛋白酶和带有铁的离子交换树脂，室温下反应4～6小时后分离固体材料并自然晾干，得到具有层级结构的有机无机杂化吸附剂。

【技术特征摘要】
1.一种具有层级结构的有机无机杂化吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)向Tris-HCl缓冲溶液中加入离子交换树脂、多巴胺、硫酸铜和过氧化氢，室温下避光反应30～40分钟后分离出表面带有粘附剂聚多巴胺的离子交换树脂；(2)将表面带有粘附剂聚多巴胺的离子交换树脂加入到亚铁盐溶液中，室温下反应2～4小时后分离出带有铁的离子交换树脂；(3)在PBS缓冲溶液中加入巯基蛋白酶和带有铁的离子交换树脂，室温下反应4～6小时后分离固体材料并自然晾干，得到具有层级结构的有机无机杂化吸附剂。2.根据权利要求1所述的具有层级结构的有机无机杂化吸附剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中Tris-HCl缓冲溶液的pH为8.0～9.0。3.根据权利要求1所述的具有层级结构的有机无机杂化吸附剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中离子交换树脂、多巴胺、硫酸铜、过氧化氢的用量为：每1LTris-HCl缓冲溶液中加入5～15g离子交换树脂、2～3g的(HO)2C6H3CH2CH2NH2·HCl、1～2gCuSO4·5H2O、2.5～4...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙奇娜，崔悦，张庆瑞，陈龑斐，刘欣超，贾清川，韩梦星，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13