[發(fā)明專利]一種用于水體高效除磷的纖維素/聚多巴胺/氫氧化鑭復合材料

在審

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• 申請日: 2022-05-23
• 公開（公告）號: CN114887602A
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發(fā)明（設計）人: 錢杰書;劉飛;潘丙才;張延揚;嚴欣華;申屠丹笛
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: B01J20/26
• 分類號: B01J20/26;B01J20/24;B01J20/06;B01J20/30;C02F1/28;C02F101/10
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 趙毅

本發(fā)明公開了一種用于水體高效除磷的纖維素/聚多巴胺/氫氧化鑭復合材料。制備該復合材料的原材料包括：纖維素、鹽酸多巴胺、六水合硝酸鑭、氫氧化鈉。通過調控鹽酸多巴胺、六水合硝酸鑭、氫氧化鈉等原料的用量優(yōu)化復合材料的吸附除磷性能，確定材料制備的最優(yōu)工藝參數。通過材料除磷性能、穩(wěn)定性考察及環(huán)境影響因素評價突出了材料的實際應用能力。綜上，本材料制備工藝簡便、條件可控，有助于解決鑭基除磷吸附劑吸附容量低、吸附選擇性差、金屬物種泄漏及回用能力差等問題。本發(fā)明不僅為水體除磷復合材料的設計提供一定的理論支撐，同時也具備較強的實際應用潛力。

技術領域

本發(fā)明屬于水處理技術領域，涉及一種用于水體高效除磷的纖維素/聚多巴胺/氫氧化鑭復合材料。

背景技術

水體中營養(yǎng)物質特別是磷(P)和氮(N)的富集加速了水體富營養(yǎng)化的過程，導致了全球生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化。為了嚴格控制水體中營養(yǎng)物質的富集，我國政府與相關部門明確規(guī)定了水體環(huán)境中磷的排放標準。根據中國水質標準要求，污水處理廠(WWTPs)二級出水標準中磷的含量不得高于0.5mg/L，這就對水體除磷技術提出了更高的要求。目前，應用較為廣泛的水體除磷技術主要包括厭氧/好氧生物降解、電化學、膜過濾和吸附等。這其中，吸附是最簡便、高效和經濟的技術之一。而作為吸附過程的核心所在，吸附材料的開發(fā)尤為重要，特別是性能優(yōu)異、穩(wěn)定性好且成本低廉的新型吸附材料有望推動吸附技術在水體除磷領域的進一步發(fā)展與應用。

根據現有文獻報道，鑭(La)可以與水中的磷酸根配位生成磷酸鑭化合物，進而高效去除水體環(huán)境中的無機磷。然而，直接利用氫氧化鑭(La(OH)₃)為吸附材料效率較低，且其顆粒極易發(fā)生團聚等現象；大量以無機材料為基材的負載型鑭基吸附材料能夠有效的避免顆粒的團聚，但其仍無法避免金屬物種流失帶來的二次污染問題。研究表明，利用有機聚合物設計的鑭基吸附材料對磷的吸附容量較高，且能夠有效提升其在吸附過程的穩(wěn)定性，但其高昂的成本及復雜的工藝制約著其在水體除磷領域的大規(guī)模推廣應用。此外，現階段采用的有機聚合物大多無法被環(huán)境自然降解，會造成水體環(huán)境二次污染。因此，設計、制備一類成本低廉、工藝簡便及性能穩(wěn)定的環(huán)境友好型鑭基吸附材料有望打破其在水體除磷領域的應用瓶頸。

作為一種成本低廉、來源廣泛的高分子生物質材料，纖維素材料已經被證實為負載型材料的優(yōu)異模板。以細菌纖維素(BC)為例，其擁有化學純度高、表面富含羥基及優(yōu)異的生物相容性等特點，在水處理功能材料的研發(fā)領域擁有巨大的實際應用前景。申請人前期的工作直接將氫氧化鑭沉積于細菌纖維素表面，結果表明吸附容量較低且無法避免鑭物種的流失。而根據文獻報道，聚多巴胺(PDA)可以通過共價鍵或非共價鍵的作用吸附金屬納米顆粒，進而提升其在應用過程中的穩(wěn)定性。因此，在細菌纖維素/氫氧化鑭復合材料中引入多巴胺有望提升其對磷的吸附容量及吸附速率，強化材料的穩(wěn)定性，并具備大規(guī)模推廣應用的潛力。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種用于水體高效除磷的纖維素/聚多巴胺/氫氧化鑭復合材料。

實現本發(fā)明目的采用如下技術方案：

一種纖維素/聚多巴胺/氫氧化鑭復合材料，其中，纖維素以細菌纖維素為例，該制備方法為：在細菌纖維素表面原位聚合聚多巴胺材料，隨后在其表面原位沉積氫氧化鑭納米顆粒。

具體包括以下步驟：

步驟1，配制鹽酸多巴胺溶液中，超聲溶解，隨后稱取纖維素浸入溶液中，超聲分散；

步驟2，在步驟1溶液中加入三羥甲基氨基甲烷調節(jié)溶液pH至8.5，并將其置于恒溫搖床中振蕩，隨后將樣品取出經乙醇與水多次洗滌，冷凍干燥得到纖維素/聚多巴胺復合材料；

步驟3，稱取纖維素/聚多巴胺復合材料和六水合硝酸鑭分散于乙醇-水混合溶液中，超聲30min；

步驟4，隨后在步驟3中的溶液中緩慢加入氫氧化鈉溶液，以25℃，300rpm攪拌4h，得到纖維素/聚多巴胺/氫氧化鑭復合材料。