用于重金属污染物吸附的负载结构及其制备方法与应用技术

一种用于重金属污染物吸附的负载结构及其制备方法与应用，该负载结构为利用3D打印纳米复合材料通过3D打印得到的镂空结构，3D打印纳米复合材料由重金属吸附纳米材料和3D打印材料混合而成。具体使用三维画图软件设计特定形状和尺寸的装置或部件，将重金属吸附纳米材料均匀地掺杂到3D打印材料中，并使用3D打印技术利用合成的3D打印纳米复合材料对三维画图软件设计的装置或部件进行加工制造，随后利用打印的装置或部件对含有目标重金属污染物的污水进行吸附处理。本发明专利技术避免了重金属吸附材料发生团聚，提高吸附选择性和吸附效率，且使用简便，使用后不会造成吸附剂的残留，避免了潜在的二次污染，易于回收和重复使用，降低了成本。

【技术实现步骤摘要】
用于重金属污染物吸附的负载结构及其制备方法与应用
本专利技术属于重金属污水处理
，尤其涉及一种用于重金属污染物吸附的负载结构及其制备方法与应用。
技术介绍
随着经济的迅猛发展，造成大量金属如铜、砷、铅、汞、镉、钴等随着矿山开采、冶炼工业、化工企业、农业灌溉等产生的废水排放到自然水体中，不仅对水生环境造成严重污染，也严重威胁到人类的健康。现有的重金属废水处理技术包括沉淀、氧化还原、离子交换、吸附、反渗透、电解析、膜分离以及生物处理等等。其中，吸附法利用具有高比表面积、不溶性的固体材料做吸附剂，通过物理、化学吸附及离子交换作用等反应机制将水中的重金属污染物吸附在其表面上，从而达到去除的目的，是一种简单高效的去除水中重金属的技术。但传统的吸附材料如活性炭、金属氧化物、功能性树脂、及各种天然矿物等存在吸附处理效率低、成本高，并且容易导致二次污染等问题，使得该技术的应用受到一定限制。纳米材料由于具有独特的表面性能、宏观量子隧道效应、量子尺寸效应和小尺寸效应等特性，可以显著提高材料的比表面积和反应活性，因此作为对有机化合物和重金属离子等污染物有较大吸附容量和亲和力的理想吸附剂，目前已逐渐被应用于对水中污染物的吸附去除。例如纳米TiO2被广泛应用于水中砷的吸附和去除，纳米零价铁被用于水中氯代、溴代有机物、消毒副产物和As、Co等重金属的吸附和去除以及多种碳纳米材料被用于吸附水中有机污染物、抗生素和重金属污染物等。然而，纳米材料在水处理方面的应用还存在着较多有待解决的问题，有些纳米材料作为吸附剂实际操作较为困难，难以从水中回收，吸附选择性低，再生效果差，高纯度的纳米材料价格高昂，使用时易发生团聚从而降低吸附效率，使用后存在不同程度的残留，在环境中容易迁移，反而成为重金属二次释放的潜在污染源等。为了解决上述问题，对纳米材料进行改性以及研发不同载体用于负载纳米材料是目前的主要研究趋势，但改性纳米材料往往造价较高，合成较复杂，而纳米复合材料的负载过程通常是将载体材料浸入到含有纳米材料的溶液中，有的仅仅依靠载体材料本身的物理吸附作用进行负载，材料间结合度不高，负载稳定性较差，不容易获得稳定且大量的成品，而那些通过化学吸附进行负载的复合材料，在实际应用中往往由于环境条件的影响造成脱落，限制了吸附效率。因此亟待研发出一种快速简便、经济可行的新型负载技术用于制备更高效、更稳定的纳米复合材料和负载结构以去除水中重金属污染物。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种用于重金属污染物吸附的负载结构及其制备方法与应用，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：作为本专利技术的一个方面，提供了一种用于重金属污染物吸附的负载结构，其为利用3D打印纳米复合材料通过3D打印得到的镂空结构，所述3D打印纳米复合材料由重金属吸附纳米材料和3D打印材料混合而成。作为本专利技术的另一个方面，提供了一种如上所述的负载结构的制备方法，其包括如下几个步骤：步骤1、使用三维画图软件设计特定形状和尺寸的负载结构；步骤2、将重金属吸附纳米材料均匀掺杂到3D打印材料中；步骤3、通过3D打印技术将步骤2得到的所述3D打印纳米复合材料打印成步骤1设计的所述负载结构；步骤4、将步骤3打印的所述负载结构反复清洗以去除残留在表面的3D打印材料，并进行干燥。作为本专利技术的再一个方面，提供了一种如上所述的负载结构在吸附重金属污染物中的应用。基于上述技术方案，本专利技术用于重金属污染物吸附的负载结构及其制备方法与应用具有以下有益效果：1、本专利技术提供的3D打印纳米复合材料可根据实际情况，针对水中不同的重金属污染物，掺杂不同种类、尺寸及浓度的吸附材料到3D打印材料中，以达到最佳的吸附效果，因此吸附选择性较高，吸附效率高；2、利用3D打印技术对用于吸附水中重金属污染物的负载结构进行加工制造，因此整个制造过程快速简便，加工成本低，还可根据实际的需求设计和加工制造特定形状和尺寸的负载结构，以适用不同的场合；3、在负载结构的制备过程中，将重金属吸附纳米材料提前掺杂到3D打印材料中，并随着3D打印的过程均匀且稳定的分布在整个负载结构上，因此避免了重金属吸附纳米材料发生团聚，提高了吸附效率，并且使用简便，易于回收，使用后不会造成重金属吸附纳米材料的残留，避免了潜在的二次污染，还可进行多次重复使用，降低了成本。4、本专利技术提供的用于重金属污染物吸附的负载结构及其制备方法与应用具有不断优化的可能。附图说明图1是本专利技术实施例1利用含2％质量分数纳米零价铁的3D打印纳米复合材料制备的格栅结构示意图；图2是本专利技术实施例1制备的格栅结构对含三价砷离子的水溶液进行吸附处理的结果；图3是本专利技术实施例1制备的格栅结构对含多种金属离子的水溶液进行吸附处理的结果；图4是本专利技术实施例2利用含2％质量分数亲水亲油型锐钛矿纳米二氧化钛的3D打印纳米复合材料制备的格栅结构示意图；图5是本专利技术实施例2制备的格栅结构对含三价砷离子的水溶液进行吸附处理的结果；图6是本专利技术实施例2制备的格栅结构对含多种金属离子的水溶液进行吸附处理的结果。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术公开了一种用于重金属污染物吸附的负载结构及其制备方法与应用，针对需要吸附去除的目标重金属污染物，在3D打印材料中掺杂不同的重金属吸附纳米材料，通过3D打印将重金属吸附纳米材料均匀且稳定地分布在整个负载结构上，避免了吸附材料发生团聚，提高吸附选择性和吸附效率，并且使用简便、易于回收和重复使用，避免了潜在的二次污染，具有广泛的应用前景。具体地，本专利技术提供了一种用于重金属污染物吸附的负载结构，该负载结构为利用3D打印纳米复合材料通过3D打印得到的镂空结构，该3D打印纳米复合材料由重金属吸附纳米材料和3D打印材料混合而成。其中，该负载结构包括但不限于格栅、滤膜、过滤球或管道型结构等等，理论上能加工制造各种几何形状、尺寸。其中，重金属吸附纳米材料包括但不限于活性炭、碳纳米管、石墨烯、纳米二氧化钛、纳米零价铁或纳米四氧化三铁等纳米材料，理论上适用于能够吸附重金属污染物的所有纳米材料。其中，3D打印材料包括但不限于丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚乳酸、尼龙、聚醚醚酮等热塑性塑料、各种光固化树脂或陶瓷粉末等。具体可根据选择的材料类型分别选用立体平板印刷、熔融沉积、选择性激光烧结、数字光处理等3D打印技术。其中，在3D打印纳米复合材料中，重金属吸附纳米材料的质量浓度为0～10％，重金属吸附纳米材料的质量浓度过高会导致3D打印失败。本专利技术还提供了一种如上所述的负载结构的制备方法，包括如下几个步骤：步骤1、使用三维画图软件设计特定形状和尺寸的负载结构；步骤2、将重金属吸附纳米材料均匀掺杂到3D打印材料中；步骤3、通过3D打印技术将步骤2得到的所述3D打印纳米复合材料打印成步骤1设计的所述负载结构；步骤4、将步骤3打印的所述负载结构反复清洗以去除残留在表面的3D打印材料，并进行干燥。其中，步骤1中，该负载结构包括格栅、滤膜、过滤球或管道型结构；步骤2中，在一些实施例中，可以采用搅拌的方式将重金属吸附纳米材料掺杂入3D打印材料中，在其他实施例中，可根据实际本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于重金属污染物吸附的负载结构，其特征在于，所述负载结构为利用3D打印纳米复合材料通过3D打印得到的镂空结构，所述3D打印纳米复合材料由重金属吸附纳米材料和3D打印材料混合而成。

【技术特征摘要】
1.一种用于重金属污染物吸附的负载结构，其特征在于，所述负载结构为利用3D打印纳米复合材料通过3D打印得到的镂空结构，所述3D打印纳米复合材料由重金属吸附纳米材料和3D打印材料混合而成。2.根据权利要求1所述的负载结构，其特征在于，所述负载结构包括格栅、滤膜、过滤球和管道型结构中的一种或多种的组合。3.根据权利要求1所述的负载结构，其特征在于：所述重金属吸附纳米材料选自活性炭、碳纳米管、石墨烯、纳米二氧化钛、纳米零价铁或纳米四氧化三铁；所述3D打印材料选自热塑性塑料、光固化树脂或陶瓷粉末，优选为光固化树脂；其中，所述热塑性塑料选自丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚乳酸、尼龙或聚醚醚酮。4.如权利要求1所述的负载结构，其特征在于，在所述3D打印纳米复合材料中，所述重金属吸附纳米材料的质量浓度为0～10％，优选为2％。5.如权利要求1所述的负载结构，其特征在于，所述3D打印的方式包括立体平板印刷、熔融沉积、选择性激光烧结或数字光处理。6.一种如权利要求1至5任...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡立刚，王丁一，职亭亭，赵瑞琪，何滨，江桂斌，
申请(专利权)人：中国科学院生态环境研究中心，
类型：发明
国别省市：北京,11