[发明专利]壳聚糖/纳米氧化纤维素/纳米季铵盐纤维素醚共混膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种吸附重金属盐的壳聚糖/纳米氧化纤维素/纳米季铵盐纤维素醚共混膜的制备方法，该方法以壳聚糖和微晶纤维素为主要原料，通过超声波协同哌啶氮氧化物自由基／共氧化体系方法选择性氧化微晶纤维素，制得纳米氧化微晶纤维素，同时利用阳离子醚化剂与微晶纤维素在超声波水浴中进行醚化反应，制得纳米阳离子微晶纤维素醚，上述两种纳米改性纤维素与醋酸溶液、壳聚糖和甘油混合，碱中和，凝胶成形，干燥，得壳聚糖/纳米改性纤维素共混膜。通过该方法制得的凝胶膜呈透明片状，对CuSO₄、ZnSO₄、Pb(NO₃)₂和Fe(NO₃)₃等重金属离子及其阴离子均具有较高的吸附能力。

技术领域

本发明涉及一种高效处理重金属离子废液的天然高分子吸附膜的制备工艺技术，属于天然高分子改性材料技术领域。

背景技术

水环境重金属污染，是指排入水体的重金属类污染物超过了水体的自净能力，使水的组成及其性质发生了改变，从而使水环境中生物的生长条件恶化，对人类生活和健康产生不良影响的行为^[1]。每年我国的石油化工行业、电子生产及皮革制造业、电镀电解等工业生产过程中均会产生大量的含有重金属离子的废水及废渣。来自国家环保部的资料显示，我国地表水中主要的重金属污染物为铜、锌、镉、铬、铁、铅等^[2]。目前我国受铜、铬、铅等重金属污染的耕地近2000万公顷，约占我国耕地总面积的五分之一^[3]。每年因重金属污染导致粮食减产达到1000多万吨^[3]。由于重金属污染物无法自行分解，被牲畜及人摄入后会在体内累积而引发各类疾病。因此，对地表水中的重金属盐含量各国都有严格的环境质量标准。

处理重金属污染物废水的传统方法包括离子交换法^[4]、超滤膜分离^[5]、反渗透膜法^[6]及氧化还原法^[7]等。以上方法一般只适用于重金属离子浓度较高的情况。当浓度低于100mg/L时，上述方法处理难度较大。同时，还存在成本高、再生和回收困难等问题。新型吸附剂的主要来源于天然高分子，例如，壳聚糖^[8]、纤维素^[9]、海藻酸钠^[10]、木质素^[11]、半纤维素^[12]等。相对于其他传统吸附剂而言，天然高分子基吸附剂具有来源广泛、与重金属离子的反应活性高、低浓废液处理效果佳、易分离等特点，在重金属盐废水处理及回收方面具有独特的优势，成为目前重金属吸附剂研究的重点。

研究发现，壳聚糖结构中含有的氨基和羟基官能团对金属离子具有较强的结合作用，对水体中的微量重金属也有较好的去除效果；此外，壳聚糖还有无毒、可生物降解等特点，因而是一种理想的重金属吸附剂。尽管如此，壳聚糖机械强度不高、易在酸性介质中溶解、对重金属离子的吸附易受水体pH影响等弱点，使得壳聚糖的应用收到一定的限制。针对这些不足，研究者通过壳聚糖结构与性质的改变，或与其他有机物或无机物复合等方式来改善其性能，从而制备出多种性能优异的壳聚糖类吸附剂。与此同时，纤维素作为植物主要的高分子组分之一，因其资源存储量大，具有可再生性，现被广泛地开发和利用。纤维素分子内含有大量的亲水性羟基，多孔，比表面积大，故具有亲和吸附性。然而，天然纤维素的吸附能力并不很强，必须通过化学改性使其具有更强或更多的极性基团才能成为性能良好的吸附材料，在纤维素上引入具有酸性、碱性或螯合性的离子基团，在很大程度上可以改变纤维素原有的性质，使其具有较强吸附能力。改性纤维素类吸附剂是目前纤维素功能高分子材料的重要发展方向之一。此外，纳米纤维素是指有一维空间尺寸为纳米级别（1~100nm）的微晶纤维素^[13]。纳米纤维素具有纤维素的基本结构与性能，还具有纳米颗粒的特性，例如，巨大的比表面积、良好的机械性能、超强的吸附能力和较高的反应活性。因此，纳米纤维素作为复合材料的增强相，以及作为衍生化改性的基质等方面均具有很好的应用价值，广泛应用于纤维素功能材料等领域。