[发明专利]一种吡啶胺基复合水凝胶吸附剂的制备方法及应用

说明书

本发明属于环境功能材料领域，针对强酸性废水中重金属阳离子的高效快速去除难题，提供了一种吡啶胺基复合水凝胶吸附剂的制备方法及应用；制备方法如下：将缚酸剂、氨基吡啶化改性试剂和聚乙烯亚胺溶于水‑有机混合溶液中，经取代反应制得改性溶液；对改性溶液进行透析或超滤或纳滤，获得精制的PEIPD溶液；将PEIPD溶液与聚合物溶液均匀混合，经交联和凝胶化反应后，可得吡啶胺基复合水凝胶吸附剂；本发明所述水凝胶吸附剂原料成本低廉，制备技术简单，适于规模化生产；采用本发明所述水凝胶吸附剂可不调节pH，直接处理含重金属强酸性废水，实现其中Pb(II)、Cd(II)、Ni(II)、Cu(II)、Zn(II)、Co(II)等多种重金属阳离子的高效快速去除。

技术领域

本发明属于环境功能材料领域，具体涉及一种吡啶胺基复合水凝胶吸附剂的制备及其对强酸性废水中重金属阳离子的高效去除。

背景技术

含有重金属的强酸性废水(pH3.0)，广泛来源于各种涉重工业活动，包括矿山开采、金属冶炼、含重固废酸浸脱毒、有色金属酸洗等。该类废水量大，成分复杂，不但含有铅、镉、镍、铜等多种重金属离子，而且可能含有高浓度的无机盐如硫酸钠、氯化钙等。由于该类废水pH低，过往工程上大多采用中和沉淀法来对其进行处理，但这会引起碱投加量大、危废污泥产生量大等一些现实难题。当前循环经济和绿色发展理念鼓励低能低耗处理废水，尽可能地从中回收有用资源。中和沉淀法的诸多缺点加之其对废水中无机酸资源缺乏有效利用使其不再作为该类废水处理的最优选择。开发高效、经济的方法和技术以直接从强酸性废水中分离回收重金属资源并实现该类废水的减毒处理具有重要意义。当前应用广泛的方法如膜分离法、析晶法、溶剂萃取法、电解法等对重金属浓度较低(50mg/L)的废水因能耗物耗成本相对过高而不适用。相比而言，吸附法分离效率高，能耗成本较低，且可适应重金属离子浓度的广幅变化，因此备受青睐。

然而吸附法对强酸性废水中重金属阳离子的分离与回收仍存在一些挑战，主要在于高浓度的氢离子竞争吸附位点而导致大多数吸附剂对重金属阳离子的吸附量较低。例如一些以氨基官能团为主的吸附剂在pH3.0时会因氨基质子化而导致重金属阳离子吸附量大为降低，在pH1.5时基本为0。此外，无机盐的大量存在也可能引起一些离子交换型吸附剂性能的下降。例如亚氨基二乙酸钠型、氨基膦酸型吸附剂虽然在pH＝2.0对重金属仍有一定的吸附效果，但当共存无机盐浓度增加到0.1mol/L时，它们的吸附性能发生明显下降。本课题组过往研究发现，螯合型吸附剂相比离子交换型吸附剂在抗高浓度无机盐干扰上具有优势，无机盐的存在对螯合型吸附剂捕获重金属阳离子大多起到促进作用。因此，鉴于一些国际商用吡啶基树脂如Dowex M4195、Lewatit MonoPlus TP220等在pH＝1.0的强酸性环境下仍对重金属Cu(II)具有较高的吸附量(～1.0mmol/g)，本课题组开发出一系列吡啶胺基螯合树脂(专利申请号：201911375554.9)，在强酸性环境中对多种重金属阳离子取得更好的吸附效果。然而，这些吡啶胺基螯合树脂同商用吡啶基树脂一样，吸附速率较慢，往往需要18～36h才能达到吸附平衡，这制约了它们的实际工程处理能力。

水凝胶吸附剂是一类极为亲水的三维网络结构凝胶，其丰富的孔道结构为重金属离子的扩散以及重金属离子与吸附位点的接触创造了有利条件，因此大多数水凝胶吸附剂具有吸附速率快的特点。而海藻酸钠是一类极好的封装性生物聚合物，较低的质量浓度即可形成黏度较大的溶液，并且极易成型。因此，本课题组提出将精制的吡啶胺基PEI聚合物与海藻酸钠混合制成水凝胶吸附剂。