用于去除水中砷和氟離子的纖維素基吸附材料及其制備方法技術

本發明專利技術涉及用于去除水中砷和氟離子的纖維素基吸附材料及其制備方法。本發明專利技術是用直徑為１０ｎｍ－１００μｍ的天然纖維素或纖維素衍生物的纖維作為吸附材料的基體材料；在所述的纖維素基體材料表面接枝含有胺基基團的聚烯烴，從而使纖維素基體材料表面帶有胺基基團；所帶的胺基基團可以與水中砷酸根離子、亞砷酸根離子和氟離子發生靜電吸引作用，從而將水中的砷酸根離子、亞砷酸根離子和氟離子這些有害陰離子除去。與現有技術中的除砷和除氟材料相比，本發明專利技術采用天然纖維素或纖維素衍生物作為吸附載體，實現了其它材料達不到的可同時吸附水中的氟離子、砷酸根離子以及業砷酸根離子，可使水中的砷、氟含量大大低于國家規定標準。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于纖維素纖維表面功能化制備水處理吸附材料領域，特別涉及一種基于 天然纖維素或纖維素衍生物對水中的砷酸根離子、亞砷酸根離子和氟離子進行高效吸附的 材料及其制備方法。
技術介紹
砷是一種原生質毒物，具有廣泛的生物效應，已被美國疾病控制中心(⑶C)和國 際癌癥研究機構(IARC)確定為第一類致癌物質。氟是人體必需的微量元素，在牙齒和骨骼 的新陳代謝中起著非常重要的作用。但是一旦人體每日的攝氟量長期超過正常需要時，就 會破壞鈣、磷的正常代謝，抑制酶的作用，影響內分泌腺的功能。我國對砷、氟這兩種元素現 行的標準是飲用水中總砷含量< 0. Olppm，總氟含量< lppm。而我國的水質現狀是高砷 同時伴隨著高氟，內蒙古、新疆、臺灣等地飲用水中含砷量高達0. 2-2. Oppm，全國農村飲用 高氟水(氟含量> 1. 5ppm)人口為5085萬人。可見為解決我國飲用水中高砷、氟含量問題， 研制開發高效除砷及氟的材料是極其必要的。同時，隨著水質日益復雜化，今后的水處理技 術將朝著同時去除幾種物質的方向發展，即除砷的同時要求除氟。目前，國內水質污染狀況 迫切需要高效、價廉、原位再生并同時除砷、氟新材料，以適應砷、氟的飲水標準日趨嚴格的 要求。在水中，砷有害物主要以亞砷酸根(AsO2-) (III)和砷酸根(AsO43-) (V)兩種形式存 在，亞砷酸鹽在水中的溶解度一般遠高于砷酸鹽。對于氟有害物，由于F離子半徑小，溶解 性好，是較難去除的污染物。目前國內外已有的除砷、氟技術，存在許多缺點。首先是砷、氟 不能同時去除；其次，現有的除砷技術需要預先將AsO2-(III)氧化成AsO43-(V)，工藝復雜； 另外，目前大多數是以無機鹽類進行除砷、氟，其反應副產物多，處理困難，容易造成二次污 染；再有，材料成本高，再生、重復使用困難限制了它們在工業上的應用。因此，本專利技術以廉價的天然高分子材料——天然纖維素或以纖維素衍生物為基 礎，通過控制其組成、形態結構、表面吸附官能團和比表面積，研制開發出基于纖維素基的 用于高效去除水中砷酸根離子、亞砷酸根離子和氟離子的纖維素基吸附材料。所述纖維素 是無水葡萄糖殘基通過beta_l，4糖苷鍵鏈接的立體規整性高分子。作為自然界中最豐富 的可再生資源和環境友好材料，纖維素的開發利用越來越引起了世界各國的關注。纖維素 或其衍生物分子內含有許多親水性的羥基基團，通過羥基的酯化、醚化、接枝共聚等一系列 衍生化反應，可以對其進行改性，在分子中引入具有特定吸附性能的官能團，可制備天然高 分子吸附材料。本專利技術就是在天然纖維素或纖維素衍生物上進行改性，使其帶有胺基基團， 并通過材料的組成、結構以及形態的控制，以及通過提高材料的比表面積，來實現合成新型 砷、氟吸附材料。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種綠色、高效用于去除水中砷酸根離子、亞砷酸根離子和 氟離子的纖維素基吸附材料，這種吸附材料具有較高的比表面積，可以有效地去除水中氟 離子、砷酸根離子和亞砷酸根離子，使水中砷、氟含量大大低于國家標準；同時所述的纖維 素基吸附材料不僅具有高吸附容量、較寬的工作PH范圍，還可以很容易地實現脫附和原位 再生。本專利技術的再一目的是提供一種用于去除水中砷酸根離子、亞砷酸根離子和氟離子 的纖維素基吸附材料的制備方法。本專利技術的用于去除水中砷和氟離子的纖維素基吸附材料是用直徑為IOnm-IOO μ m 的天然纖維素或纖維素衍生物的纖維作為吸附材料的基體材料；在所述的纖維素基體材料 表面接枝含有胺基基團的聚烯烴，從而使纖維素基體材料表面帶有胺基基團；所帶的胺基 基團可以與水中砷酸根離子、亞砷酸根離子和氟離子發生靜電吸引作用，從而將水中的砷 酸根離子、亞砷酸根離子和氟離子這些有害陰離子除去。所述的纖維素基體材料表面接枝有含胺基基團的聚烯烴，其接枝胺基基團的量不 少于5wt%。所述的聚烯烴選自聚甲基丙烯酸二甲胺基乙酯(PDMAEMA)、聚甲基丙烯酸二乙胺 基乙酯(PDEA)、聚丙烯酸(PAA)等中的一種。所述的天然纖維素選自草本植物或木本植物。所述的草本植物選自農作物秸稈、蘆葦、荻葦、芒桿、竹子、草坪的草屑中的一種。所述的農作物秸稈選自稻草、麥草、玉米秸稈、大豆秸稈、棉花秸稈、紅薯秧中的一種。所述的木本植物選自樹木的落葉或木屑。所述的纖維素衍生物是帶有羥基基團的纖維素酯類或帶有羥基基團的纖維素醚 類。所述的纖維素酯類選自二醋酸纖維素(DCA)或二取代纖維素硝酸酯(CN)。所述的纖維素醚類選自羥乙基纖維素(HEC)、羥丙基纖維素(HPC)、羧甲基纖維 素(CMC)、乙基羥乙基纖維素(EHEC)、羥乙基甲基纖維素(HEMC)、羥乙基羧甲基纖維素 (HECMC)、羥丙基羧甲基纖維素(HPCMC)中的一種。本專利技術的用于去除水中砷和氟離子的纖維素基吸附材料的制備方法包括以下步 驟(1)用綠色機械加工法將天然纖維素粉碎成直徑為IOnm-IOOym的纖維，或用高 壓靜電紡絲的方法將纖維素衍生物溶液(一般溶液的濃度為5wt% -30wt% )電紡成直徑 為IOnm-IOO μ m的纖維，得到纖維素基體材料；(2)將步驟⑴得到的纖維素基體材料置于含有硝酸(HNO3)、引發劑硝酸鈰銨 ((NH4)2Ce(NO3)6)的水中后再加入含有胺基基團的烯類單體得到反應體系；在氮氣保護下 進行反應，在天然纖維素或纖維素衍生物的纖維表面接枝聚合含胺基基團的單體；反應結 束之后，反復水洗反應產物，真空干燥，得到用于去除水中砷酸根離子、亞砷酸根離子和氟 離子的纖維素基吸附材料；所述的反應體系中，各組分的質量分數為質量濃度為65% -68%的硝酸含量為 1 %-10 %，硝酸鈰銨的含量為0. 5 %-5 %，含有胺基基團的烯類單體的含量為1 %-10 %，余量為水。所述的反應是在溫度為20°C _100°C下進行反應，反應時間為lh_24h。所述的在天然纖維素或纖維素衍生物的纖維表面接枝聚合含胺基基團的單體，是 在酸性水體系中通過Ce4+引發自由基聚合，在天然纖維素或纖維素衍生物的-OH處接枝聚 合含胺基的單體。所述的含有胺基基團的烯類單體選自甲基丙烯酸二甲胺基乙酯(DMAEMA)、甲基丙 烯酸二乙胺基乙酯(EDA)、丙烯酸(AA)等中的一種。在將本專利技術的用于去除水中砷酸根離子、亞砷酸根離子和氟離子的纖維素基吸附 材料用于處理含砷和氟超標的水時，將所述的纖維素基吸附材料置于含砷和氟超標的水中 攪拌，吸附材料用量為0. 01g/L-lg/L，攪拌時間為30min-12h，溫度為室溫。實驗證明，本發 明的纖維素基吸附材料可以大大降低高砷高氟水中的砷、氟含量。并且本專利技術的吸附材料 通過脫附后，可以重復使用。本專利技術的纖維素基吸附材料不僅具有高吸附容量、較寬的工作pH范圍(pH為 3-10)，而且具有比表面積大(0. 0133m2/g-133m7g)，環境友好無污染的特點。本專利技術是以天然纖維素或纖維素衍生物的纖維為基體材料，在所述纖維的表面修 飾胺基離子，利用胺基離子與陰離子之間的相互作用對砷陰離子和氟陰離子進行吸附。與 現有技術中的除砷、氟材料相比，本專利技術采用天然纖維素或纖維素衍生物作為吸附載體，實 現了其它材料達不到的可同時吸附水中的氟離子、砷本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種用于去除水中砷和氟離子的纖維素基吸附材料，其特征是：所述的纖維素基吸附材料是用直徑為１０ｎｍ－１００μｍ的天然纖維素或纖維素衍生物的纖維作為吸附材料的基體材料；在所述的纖維素基體材料表面接枝含有胺基基團的聚烯烴，從而使纖維素基體材料表面帶有胺基基團；所帶的胺基基團與水中砷酸根離子、亞砷酸根離子和氟離子發生靜電吸引作用，將水中的砷酸根離子、亞砷酸根離子和氟離子除去。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃勇，吳敏，吳大勇，田野，
申請(專利權)人：中國科學院理化技術研究所，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]