[发明专利]一种PEI接枝明胶海绵的制备及其在重金属污水处理中的应用

说明书

本发明公开了一种PEI接枝明胶海绵的制备及其在重金属污水处理中的应用，属于生态环境安全领域。首先对明胶海绵进行羧基化修饰，将明胶海绵表面的氨基全部转为羧基；然后，通过离子间作用力，用PEI和羧基修饰明胶海绵制备出PEI接枝明胶海绵。本发明制备的PEI接枝明胶海绵可应用于含重金属污水处理中，也可用于制备重金属吸附剂。本发明所采用的制备方法反应比较温和，反应时间短，所用材料无毒，制备成本低、安全性高，后期处理简单；所制备的PEI接枝明胶海绵对重金属离子的吸附容量高，并保留了明胶海绵的吸水性能，其用于污水灌溉中可以保留大部分污水，延长海绵材料与重金属的吸附交换时间，提高了重金属的净化效果。

技术领域

本发明涉及水、土壤等生态环境安全领域，具体涉及一种PEI接枝明胶海绵的制备及其在重金属污水处理中的应用。

背景技术

近年来，随着水资源的短缺和土壤污染日益加剧，污水灌溉成为难以避免的现实问题。污水中的各种污染物，特别是重金属离子对农作物、土壤环境带来恶劣的影响。铅（Pb）和镉（Cd）是农作物中极易富集的两种重金属，对人群健康带来极大威胁。

我国颁发实施的《农田灌溉水质标准》中，对污水浇灌提出较严格要求，严禁使用污水浇灌生食的蔬菜和瓜果；对于水作、旱作和蔬菜，必须将污水处理达标才能灌溉。处理重金属废水的方法可分为两大类：一类是使溶解性的重金属转变为难溶或者不溶的金属化合物，从而将其从水中除去，如化学沉淀法、还原法等。另一类是在不改变重金属化学形态的情况下进行浓缩分离，例如离子交换法、膜分离法、吸附法等。其中，吸附法由于工艺简单、占地面积小、无二次污染、操作方便、效果好、可反复使用等优点，特别适用于处理含金属离子的废水。

目前，碳基材料（活性炭、碳纳米管、石墨烯等）、纳米金属氧化物、壳聚糖复合物以及其他一些低成本材料（木质素，沸石，腐殖酸，天然矿物如點土、矿石）等具有巨大的比表面积或者多孔结构，虽然吸附效果较好，备受人们注重视。但是这些材料的粒径较小，难以回收利用，在实际应用中需要昂贵的运行系统和高压泵体系。对于没有专业技术的普通大众来讲，这些吸附剂难以直接用于污水灌溉过程中重金属的去除。因此，寻求高吸附容量、制备简单、可重复使用的吸附剂，实现对灌溉废水中的重金属直接吸附，从而减少土壤和作物中重金属的富集，保障我国农作物的质量安全十分必要。

明胶海绵是一种由动物胶原蛋白熬制的生物髙聚大分子，有固定形貌特征，廉价易得，具有无毒、生物可降解性和低溶胀性等特点。由于明胶海绵富含羧基、氨基活性基团，可与重金属通过配位键结合。更为重要的是明胶海绵的吸水性能好（可吸收其重量12.1倍的水）、溶胀性低（34.9%）及疏松多孔的结构，因而在污水灌溉过程中，可以保留大部分的污水，延长海绵材料与重金属的吸附交换时间，改进重金属的净化效果。然而，由于制备过程中其表面氨基的自身交联，大大减少了可与重金属结合的活性基团，使得明胶海绵本身吸附容量有限，不利于废水中重金属的吸附处理。

发明内容

针对现有技术所存在的问题，本发明的目的在于提供了一种处理过程简单，无毒、易降解、高吸附容量的吸附材料PEI接枝明胶海绵及其制备方法，本发明提供的PEI接枝明胶海绵可用于污水中重金属的净化去除。本发明提出一种新型的制备思路，首先制备出羧基化修饰的明胶海绵，将明胶海绵表面的氨基全部转为羧基；然后，通过离子间作用力，用PEI（氨基）和羧基修饰明胶海绵制备出PEI接枝明胶海绵，极大的增大了材料的吸附容量，保留其吸水特性，实现污水中重金属Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的高效去除。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种PEI接枝明胶海绵的制备方法，包括制备羧基化修饰明胶海绵和表面接枝PEI步骤，具体如下：

（1）制备羧基化修饰明胶海绵

1.1）将3,3’-二硫代二丙酸的N,N-二甲基甲酰胺溶液和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺（EDC）水溶液混合均匀；