申请日2016.10.13
公开(公告)日2016.12.14
IPC分类号B01J20/24; B01J20/30; C02F1/28; C02F1/62
摘要
一种壳聚糖活性污泥复合吸附剂的制备方法和用途，其制备方法包括如下步骤：依次为壳聚糖溶液的制备、泥浆的制备、发泡剂的添加、壳聚糖活性污泥复合吸附剂的制备和壳聚糖活性污泥复合吸附剂的干燥，一种壳聚糖活性污泥复合吸附剂可以有效吸附废水中的铜离子和铬离子。
权利要求书
1.一种壳聚糖活性污泥复合吸附剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)壳聚糖溶液的制备：称取3.0g壳聚糖粉末，溶于1%醋酸溶液中，配制成3%的壳聚糖溶液，壳聚糖溶解时在水浴锅里加热，加热过程中不断搅拌直到完全溶解;
(2)泥浆的制备：将活性污泥用水清洗3-5遍，去除一些漂浮在水面的树叶等杂质，用真空抽滤泵抽滤清洗后的活性污泥，使得污泥的干重占总重量的85%;
(3)发泡剂的添加：称取1g发泡剂NH4HCO3加入步骤(2)所得的泥浆中搅拌均匀;
(4)壳聚糖活性污泥复合吸附剂的制备：取等量的泥浆与壳聚糖均匀混合后，将其混合物滴加到含有交联剂的固化液NaOH溶液中，滴加过程中要不断地搅拌，粘在一起形成大球，滴加完成后，将烧杯置于水浴锅中加热，加热过程中要不断的搅拌，将水温设置成45℃，交联4h，最终获得壳聚糖活性污泥复合吸附剂固体小球;
(5)壳聚糖活性污泥复合吸附剂的干燥：将得到的壳聚糖活性污泥复合吸附剂固体小球用大量清水反复冲洗直至中性，再用纯水浸泡1h，浸泡后将小球平铺于培养皿中，置于60℃下烘烤，烘干一段时间后称一次重量，再放在烘箱中烘，直至恒重;烘干后将小球置于100℃的环境中受热，使壳聚糖活性污泥复合吸附剂固体小球内部的发泡剂受热分解产生气体，从而得到带孔的壳聚糖活性污泥复合吸附剂。
2.一种权利要求1所述方法制备的壳聚糖活性污泥复合吸附剂在含铜含铬废水处理中的应用。
说明书
一种壳聚糖活性污泥复合吸附剂的制备方法和用途
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，更具体的说是一种壳聚糖活性污泥复合吸附剂的制备方法和用途。
背景技术
人类自工业革命以来，对自然环境的干扰能力和破坏强度不断加大。进人21世纪，随着国民经济的持续快速发展，我国面临着水量和水质的危机，同时水质危机更加严重。无论是地表水还是地下水，我国的水质污染已经非常严重。目前水中重金属污染已经成为了一个不可忽视的问题，它严重威胁着周围环境及人类健康。很多有毒的重金属被当作工业废物排放到了环境中，造成了严重的土壤和水体污染。
研究发现，Cu是一种有价金属，其应用范围很广，生活中Cu具有极其重要的作用。天然水中含铜极少，水中的铜主要由工业废水的污染造成。铜可以影响水的色嗅味等性状，此外，铜对水体的自净作用有严重的影响。而六价铬化合物能够导致癌症和腐蚀组织，并对细胞、植物、动物和人体有毒害作用。它能够导致肺癌，损害人体的肾脏、肝脏和胃等器官。
壳聚糖是甲壳素脱乙酰基后的产物，一种天然高分子有机物，制备原料丰富、无毒、易于生物降解，具备良好的生物相容性。它具有天然、无毒、易生物降解且来源广泛的特点，是典型的环保材料。壳聚糖分子中丰富的氨基和羟基，具有较强的吸附、配位作用，壳聚糖复合吸附剂具有吸附染料分子、金属离子和蛋白质分子的能力。壳聚糖分子中存在游离氨基，在稀溶液中被质子化，使分子链上带大量正电荷，成为一种典型的阳离子絮凝剂，它兼有电中和和吸附絮凝的双重作用，即高分子链上的阳离子活性基团与带负电荷的胶体微粒相互吸引，降低中和胶体微粒的表面电荷，同时压缩了扩散层而使胶体微粒脱稳，并借助高分子链的吸附粘结和架桥作用而产生絮凝沉降。容易通过配位反应络合重金属离子，它既能在醋酸中溶解为凝胶态又能在固化溶液中恢复为固体。因此，壳聚糖可作为包埋固定活性污泥的载体。活性污泥对金属具有吸附性，可以利用壳聚糖和活性污泥制备壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附废水中的重金属。因而，本文拟通过研究壳聚糖活性污泥复合吸附剂对含铬(Cr6+)、含铜(Cu2+)废水吸附性能的影响因素，以期寻求一种高效，简单的处理废水方法。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种可以有效吸附废水中的镉离子和铅离子的壳聚糖活性污泥复合吸附剂的制备方法和用途。
为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
一种壳聚糖活性污泥复合吸附剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)壳聚糖溶液的制备：称取3.0g壳聚糖粉末，溶于1%醋酸溶液中，配制成3%的壳聚糖溶液，壳聚糖溶解时在水浴锅里加热，加热过程中不断搅拌直到完全溶解;
(2)泥浆的制备：将活性污泥用水清洗3-5遍，去除一些漂浮在水面的树叶等杂质，用真空抽滤泵抽滤清洗后的活性污泥，使得污泥的干重占总重量的85%;
(3)发泡剂的添加：称取1g发泡剂NH4HCO3加入步骤(2)所得的泥浆中搅拌均匀;
(4)壳聚糖活性污泥复合吸附剂的制备：取等量的泥浆与壳聚糖均匀混合后，将其混合物滴加到含有交联剂的固化液NaOH溶液中，滴加过程中要不断地搅拌，粘在一起形成大球，滴加完成后，将烧杯置于水浴锅中加热，加热过程中要不断的搅拌，将水温设置成45℃，交联4h，最终获得壳聚糖活性污泥复合吸附剂固体小球;
(5)壳聚糖活性污泥复合吸附剂的干燥：将得到的壳聚糖活性污泥复合吸附剂固体小球用大量清水反复冲洗直至中性，再用纯水浸泡1h，浸泡后将小球平铺于培养皿中，置于60℃下烘烤，烘干一段时间后称一次重量，再放在烘箱中烘，直至恒重;烘干后将小球置于100℃的环境中受热，使壳聚糖活性污泥复合吸附剂固体小球内部的发泡剂受热分解产生气体，从而得到带孔的壳聚糖活性污泥复合吸附剂。
一种上述方法制备的壳聚糖活性污泥复合吸附剂在含铜含铬废水处理中的应用。
本发明的有益效果为：可以有效吸附废水中的铜离子和铬离子。
具体实施方式
具体实施方式一：
(1)壳聚糖溶液的制备：称取3.0g壳聚糖粉末，溶于1%醋酸溶液中，配制成3%的壳聚糖溶液，壳聚糖溶解时在水浴锅里加热，加热过程中不断搅拌直到完全溶解;此时溶液呈现淡黄色且均匀透明，有一定粘度;
(2)泥浆的制备：将活性污泥用水清洗3-5遍，去除一些漂浮在水面的树叶等杂质，保持污泥的含水率，用真空抽滤泵抽滤清洗后的活性污泥，使得污泥的干重占总重量的85%;
(3)发泡剂的添加：称取1g发泡剂NH4HCO3加入步骤(2)所得的泥浆中搅拌均匀;
(4)壳聚糖活性污泥复合吸附剂的制备：取等量的泥浆与壳聚糖均匀混合后，将其混合物滴加到含有交联剂的固化液NaOH溶液中，滴加过程中要不断地搅拌，一方面可以加快固化的速度，另一方面可以防止吸附剂沉于烧杯底部，粘在一起形成大球，滴加完成后，将烧杯置于水浴锅中加热，加热过程中要不断的搅拌，将水温设置成45℃，交联4h，最终获得壳聚糖活性污泥复合吸附剂固体小球;
(5)壳聚糖活性污泥复合吸附剂的干燥：将得到的壳聚糖活性污泥复合吸附剂固体小球用大量清水反复冲洗直至中性，再用纯水浸泡1h，浸泡后将小球平铺于培养皿中，置于60℃下烘烤，烘干一段时间后称一次重量，再放在烘箱中烘，直至恒重;烘干后将小球置于100℃的环境中受热，使壳聚糖活性污泥复合吸附剂固体小球内部的发泡剂受热分解产生气体，从而得到带孔的壳聚糖活性污泥复合吸附剂。
以下对所制备的壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附废水中的铜离子和铬离子的性能进行了实验。
实验步骤：壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附铜离子的单因素试验设计
配置Cu2+标准储备液，称取3.077g的无水硫酸铜(CuSO4)于烧杯中溶解，用玻璃棒引流至1000ml的容量瓶中定容。
(1)Cu2+初始浓度对壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附废水中Cu2+性能影响因素试验设计
用移液管分别移取2ml、4ml、6ml、8ml、10mlCu2+标准储备液于5个100ml锥形瓶中，稀释至100ml(浓度分别为20mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L)。
分别称取0.5g的壳聚糖活性污泥复合吸附剂加入5个锥形瓶中。调节溶液pH值至3。
将上述5个锥形瓶放入SHA-C水浴恒温振荡器中，调节转速为130r/min。调节温度为40℃，震荡20h后取出。
(2)壳聚糖活性污泥复合吸附剂投加量对壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附废水中Cu2+的性能影响因素试验设计
用移液管分别移取4ml Cu2+标准储备液于5个锥形瓶中，稀释至100ml。
分别称取：0.25g、0.5g、0.75g、1.0g、1.25g壳聚糖活性污泥复合吸附剂于5个锥形瓶中。调节溶液pH值为3。
将上述5个锥形瓶放入SHA-C水浴恒温振荡器中，调节转速为130r/min，调节温度为40℃，震荡20h后取出。
(3)pH对壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附废水中Cu2+的性能影响因素试验设计
用移液管分别移取4ml Cu2+标准储备于4个锥形瓶中，稀释至100ml。
分别称取0.5g壳聚糖活性污泥复合吸附剂加入4个锥形瓶中。用pH仪分别调节4个锥形瓶中溶液pH值分别为2、3、4、5。
将上述4个锥形瓶放入SHA-C水浴恒温振荡器中，调节转速为130r/min。调节温度为40℃，震荡20h后取出。
(4)温度对壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附废水中Cu2+的性能影响单因素试验设计
用移液管移取4mlCu2+标准储备液于4个锥形瓶中，稀释至100ml。
分别称取0.5g壳聚糖活性污泥复合吸附剂加入4个锥形瓶中。调节溶液pH值为3。
将上述锥形瓶分别放入SHA-C水浴恒温振荡器中，调节转速为130r/min。调节温度分别为30℃、40℃、50℃、60℃，各震荡20h后取出。
(5)转速对壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附废水中Cu2+的性能影响单因素试验设计
用移液管分别移取4mlCu2+标准储备液于4个锥形瓶中，稀释至100ml。
分别称取0.5g壳聚糖活性污泥复合吸附剂加入4个锥形瓶中。调节溶液pH值为3。
将上述各锥形瓶分别放入SHA-C水浴恒温振荡器中，调节温度为40℃，调节转速分别为110r/min、130r/min、150r/min、170r/min，各震荡20h后取出。
用移液管分别移取上述(1)(2)(3)(4)(5)所有的锥形中溶液5ml至50ml的容量瓶中定容(溶液处理后稀释10倍)。原子吸收光谱仪测定处理后溶液中重金属Cu2+浓度。
一、对废水中铜离子的吸附实验表格
通过表1可知不同实验条件壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附废水中Cu2+有不同程度的影响。影响壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附废水中Cu2+的影响因素顺序为：Cu2+的初始浓度>转速>壳聚糖活性污泥复合吸附剂的投加量>pH。最优实验方案为：Cu2+的初始浓度为40mg/L、pH=2、壳聚糖活性污泥复合吸附剂投加量为0.5g、转速为130r/min，去除率为91.5%。
但是单因素得出的结果为：Cu2+的初始浓度为40mg/L、pH=3、壳聚糖活性污泥复合吸附剂投加量为0.5g、转速为130r/min为最佳实验组合，经过实验得出该情况下的去除率为95.08%。因此，壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附废水中Cu2+最佳实验条件为：Cu2+的初始浓度40mg/L、pH=3、壳聚糖活性污泥复合吸附剂投加量为0.5g、转速为130r/min。
表1壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附Cu2+的正交实验影响
二、壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附铬的单因素试验设计
配置Cr6+的标准储备液，称取2.2829g的重铬酸钾(K2Cr2O7)于烧杯中溶解，用玻璃棒引流至1000ml的容量瓶中定容。
(1)Cr6+初始浓度对壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附废水中Cr6+的性能影响因素试验设计：
用移液管分别移取1ml、5ml、10ml、15ml、20ml Cr6+标准储备液于5个锥形瓶中，稀释至100ml(浓度分别为10mg/L、50mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L)。
分别称取0.75g的壳聚糖活性污泥复合吸附剂加入5个锥形瓶中。调节溶液pH为3。
将上述5个锥形瓶放入SHA-C水浴恒温振荡器中，调节转速为130r/min，调节温度为40℃，震荡20h后取出。
(2)壳聚糖活性污泥复合吸附剂投加量对壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附废水中Cr6+的性能影响单因素试验设计：
用移液管分别移取10ml的Cr6+标准储备液于5个锥形瓶中，稀释至100ml。
分别称取0.25g、0.5g、0.75g、1.0g、1.25g的壳聚糖活性污泥复合吸附剂加入5个锥形瓶中。调节溶液pH值为3。
将上述5个锥形瓶放入SHA-C水浴恒温振荡器中，调节转速为130r/min，调节温度为40℃，震荡20h后取出。
(3)pH对壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附废水中Cr6+的性能影响单因素试验设计
用移液管分别移取10ml的Cr6+标准储备液于4个锥形瓶中，稀释至100ml。
分别称取0.75g的壳聚糖活性污泥复合吸附剂加入4个锥形瓶中。用pH仪调节4个锥形瓶中溶液pH值分别为2、3、4、5。
将上述4个锥形瓶放入SHA-C水浴恒温振荡器中，调节转速为130r/min，调节温度为40℃，震荡20h后取出。
(4)转速对壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附废水中Cr6+的性能影响单因素试验设计
用移液管分别移取10ml的Cr6+标准储备液于4个锥形瓶中，稀释至100ml。
分别称取0.75g的壳聚糖活性污泥复合吸附剂加入4个锥形瓶中。调节溶液pH值为3。
将上述4个锥形瓶放入SHA-C水浴恒温振荡器中，调节温度分别为40℃，调节转速分别为110r/min、130r/min、150r/min、170r/min，调节温度为40℃，震荡20h后取出。
用移液管分别移取上述(1)(2)(3)(4)所有的锥形中溶液5ml至50ml的容量瓶中定容。原子吸收光谱仪测定处理后溶液中重金属Cr6+浓度。
二、对废水中铅离子的吸附实验表格
通过表2可知，不同因素条件下壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附废水中Cr6+有着不同程度的影响。影响壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附Cr6+的影响因素排序为：转速>pH>Cr6+初始浓度>壳聚糖活性污泥复合吸附剂投加量。最佳实验方案为：Cr6+初始浓度100mg/L、pH=2、壳聚糖活性污泥复合吸附剂投加量为0.75g、转速为130r/min，去除率为73.79%。
单因素试验得出的最佳实验组合与正交实验相同。
表2壳聚糖活性污泥复合吸附剂吸附Cu2+的正交实验影响
由此可以得出结论，壳聚糖活性污泥复合吸附剂对废水中镉离子和铅离子的吸附效果好。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。