[发明专利]一种磷酸修饰的二氧化硅微球及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种磷酸修饰的二氧化硅微球及其制备方法和应用。制备时，首先在二氧化硅微球表面引入3‑氨丙基，然后在3‑氨丙基功能化二氧化硅微球表面接枝磷酸，制备出表面修饰磷酸的二氧化硅微球材料，即可。该材料的制备过程简单、反应条件温和，并成功应用于水体含氧酸根离子污染物的去除。

技术领域

本发明属于水处理领域，具体地说是一种磷酸修饰的二氧化硅微球及其制备方法，以及其在水体含氧酸根离子吸附中的应用。

背景技术

水污染是一个全球性的重大问题，对健康和环境造成严重危害。美国国家环境保护局将一些无机污染物，尤其是含氧酸根离子，视为水体无机污染物中需要优先控制的污染物(文献1.Keith et.al“EST Special Report:Priority pollutants:I-aperspective view”,《Environmental ScienceTechnology》1979,13,(4),416-423.文献2.Mon et.al“Metal-organic framework technologies for water remediation：towards a sustainable ecosystem”,《Journal of Materials Chemistry A》2018,6,(12),4912-4947.)。

含氧酸根离子污染的工业废水，如CrO₄^2-/Cr₂O₇^2-以及HAsO₄^2-/H₂AsO₄^-/H₃AsO₃严重威胁人类健康和自然环境。砷作为“a级”人类致癌物，可导致癌症(皮肤、肝脏、肺、膀胱)、心血管和神经系统疾病以及免疫问题。

六价铬是一种致癌和致突变物质。在中国，被潜在有毒元素污染的土地中有5％是铬污染土地(文献3.Bailey et.al“A review of potentially low-cost sorbents forheavy metals”,《Water Research》1999,33,(11),2469-2479.文献4.Zhuang et.al“High-performance adsorption of chromate by hydrazone-linked guanidinium-basedionic covalent organic frameworks:Selective ion exchange”，《Separation andPurification Technology》2021,274,118993.文献5.Greenstein et.al“Performancecomparison of hematite(α-Fe₂O₃)-polymer composite and core-shell nanofibers aspoint-of-use filtration platforms for metal sequestration”,《Water Research》2019,148,492-503.)。此外，在核废水中还检测到一些放射性含氧酸根离子污染物(SeO₃^2-/SeO₄^2-)(文献6.Peak et.al“Mechanisms of selenate adsorption on iron oxides andhydroxides”,《Environmental Science and Technology》2002,36,(7),1460-1466.文献7.Ling et.al“Influence of coexisting ions on the electron efficiency ofsulfidated zerovalent iron toward Se(VI)removal”,《Chemical EngineeringJournal》2019,378,122124.)。因此，迫切需要探索有效的技术来去除水体中的这些污染物，从而满足我们对清洁水的需求。在过去几十年中，人们探索了大量技术来去除水中这些剧毒的含氧酸根离子，包括吸附、生物处理、化学氧化/还原、膜过滤等技术(文献8.Huet.al“Efficient elimination of organic and inorganic pollutants by biocharand biochar-based materials”,《Biochar》2020,2,(11),47-64.文献9.Mishra et.al“Ferrous sulfide and carboxyl-functionalized ferroferric oxide incorporatedPVDF-based nanocomposite membranes for simultaneous removal of highly toxicheavy-metal ions from industrial ground water”,《Journal of Membrane Science》2020,593,117422.)，但这些方法中的大多数都有一些局限性。例如，生物处理有产生其他二次污染物和大量污泥的问题(文献10.Narayani et.al“Chromium-Resistant Bacteriaand Their Environmental Condition for Hexavalent Chromium Removal:A Review”,《Environmental Science and Technology》2013,43,(9),955-1009.)。化学氧化/还原会产生更加有毒的物质。膜过滤是靠膜的疏水性吸附有机物，因而会降低对重金属离子的吸附。另外，膜需要定期地更换，成本高。与其他方法相比，吸附法操作简单，能耗低，可循环使用，二次污染小，被认为是最有前途的应用技术(文献11.Bolisetty et.al“Sustainabletechnologies for water purification from heavy metals:review and analysis”,《Chemical Society Reviews》2019,48,(2),463-487.)。传统吸附材料通常会出现这样几个问题：(I)化学和热稳定性较低；(II)吸附容量低；(III)吸附动力学相对缓慢，选择性相对较差；(IV)重复利用性能较差。因而，设计和发展稳定性高、选择性好、吸附容量大的新吸附剂一直是含氧酸根离子除去领域中的研究热点。