[发明专利]一种三维网状多级孔二氧化硅重金属离子吸附剂及其制备方法

说明书

本发明为一种三维网状多级孔二氧化硅重金属离子吸附剂及其制备方法。该方法包括如下步骤：将正硅酸乙酯和氨水依次加入到蒸馏水中，室温搅拌5‑20h制得硅乳液；然后将一定量卡拉胶溶液加入到上述硅乳液中，在80‑100℃下继续搅拌5‑60min后冷却制得卡拉胶/硅胶水凝胶。通过真空冷冻干燥，并依次在惰性气氛和空气氛焙烧，再洗涤、干燥，最后制得三维网状多级孔二氧化硅重金属离子吸附剂。本发明所制备的二氧化硅材料无需表面改性就可直接用作重金属离子吸附剂；多级孔结构能改善或解决离子扩散的负面影响，且孔结构一定范围内可控，大块状结构有利于吸附剂分离回收；所述制备方法工艺简单、合成成本低、易于推广应用。

技术领域

本发明属于重金属离子污染治理与修复的环境保护领域，涉及一种三维网状多级孔二氧化硅重金属离子吸附剂及其制备方法。

背景技术

随着科技的迅猛发展，大量含重金属离子工业废水的排放对生态环境造成了严重的危害。重金属因生物难降解，在自然环境中的富集会对生态系统和人类健康带来巨大的危害。已报道的重金属污水处理技术中，吸附法以其成本低，操作简便和去除效率高而被认为是最有效和经济的方法。常用的吸附剂有氧化铝、活性炭、合成树脂、硅胶和分子筛等，其中硅基吸附剂以其物化性质稳定、比表面积大、结构可调控性大且廉价易得而被广泛应用。但为了获得高吸附性能，需要向硅基材料中引入有机官能团(-SH、-COOH、-NH₂和-SO₃H等)进行表面改性，或与其它有机物复合，这致使该类吸附剂制备工艺繁琐、条件苛刻，改性剂价格昂贵增加成本且制备或使用过程中存在污染环境的潜在性。

多孔材料具有大的比表面积、高孔隙率、表面可修饰等特点，利用功能性活性组分表面改性可制得高效吸附材料，但制备工艺较复杂。单一介孔结构会影响重金属离子在孔道内的扩散，而大孔结构又无法有效的改善材料的比表面积，多级孔结构能有效的解决上述缺点。离子印迹技术是利用功能单体与金属离子模板剂间存在的共价或非共价(氢键、配位键、静电引力等)作用，使活性单体在模板剂周围聚合排列，所制备的聚合物除去模板剂后就会留下与模板分子结构与作用位点互补的空穴，材料因具有对模板剂分子的记忆和识别性而对模板剂离子具有选择性吸附的功能。但制备过程复杂、制备条件苛刻，使用大量有机溶剂和功能单体，不仅污染环境还有可能对人体存在一定的毒性。因此，开发一种制备过程简单、易于操作、性能稳定且价格低廉易于分离回收的高效吸附剂合成工艺，具有非常重要的实际应用价值，对于缓解或解决当前重金属离子污染问题具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的为针对现有制备技术中存在的缺陷，提供一种三维网状多级孔二氧化硅重金属离子吸附剂及其制备方法。该方法以生物质卡拉胶为模板剂，利用其分子内所含的钙、钾、钠、铵等硫酸酯盐以类离子印迹技术，在二氧化硅材料中构筑大量重金属离子吸附活性位点；同时以卡拉胶中的有机链为碳源，惰性气氛中原位形成骨架碳硬模板，在吸附剂中构建多级孔结构。通过改变冷冻方式和卡拉胶用量等参数，可调控吸附剂材料的吸附位点量和多级孔结构。本发明制备技术工艺路线简单、可操作性强、无毒、清洁环保，所合成的多级孔二氧化硅材料，具有三维网状结构，且孔结构一定范围内可控。

本发明的技术方案为：

一种三维网状多级孔二氧化硅重金属离子吸附剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将一定量的正硅酸乙酯和氨水依次加入到蒸馏水中，室温磁力搅拌5-20h，得到硅乳液；然后将一定量的卡拉胶溶液加入上述硅乳液中，在80-95℃下继续混合搅拌5-60min后冷却制得卡拉胶/硅胶混合水凝胶。

其中，体积比蒸馏水∶正硅酸乙酯∶氨水∶卡拉胶水溶液＝60～90∶3～30∶3～9∶30；卡拉胶水溶液的浓度为1.0～20.0wt％；

(2)将步骤(1)所制得的混合水凝胶冷冻处理后进行真空冷冻干燥；