本發(fā)明涉及重金屬離子吸附技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種吸附重金屬鎘離子的胱胺改性生物炭的制備方法。

背景技術(shù)：

土壤重金屬污染帶來了突出的生態(tài)環(huán)境與食品安全問題，受到了廣泛關(guān)注。重金屬在土壤中累積，造成土壤退化，農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)降低。重金屬無法被生物降解，可以在植物體內(nèi)累積，并通過食物鏈富集到人體和動物體中，給人畜健康造成威脅。

傳統(tǒng)的重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)如熱脫附技術(shù)、土壤淋洗、電動修復(fù)技術(shù)、化學(xué)固定等，存在著成本較高、易帶來二次污染等問題。生物炭作為一種新型的吸附劑，由于來源廣泛、成本低廉、環(huán)境友好、芳香性結(jié)構(gòu)、較大比表面積、以及豐富的表面含氧官能團(tuán)等優(yōu)點，使其具有良好的吸附性能，近年來成為環(huán)境、能源等領(lǐng)域的關(guān)注熱點。

傳統(tǒng)的生物炭作為一種廣譜性吸附材料，其特異性功能較差，尤其是對于重金屬的特異性吸附能力較弱。因此如何對傳統(tǒng)的生物炭進(jìn)行改良，以增強(qiáng)對重金屬特別是鎘離子的特異性吸附能力，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的一個問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種吸附重金屬鎘離子的胱胺改性生物炭的制備方法，該方法通過將胱胺修飾到生物炭表面，引進(jìn)與重金屬特別是鎘離子作用力強(qiáng)的基團(tuán)，提高了生物炭吸附重金屬離子特別是鎘離子的吸附能力。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

提供一種吸附重金屬鎘離子的胱胺改性生物炭的制備方法，其制作方法包括以下步驟：

步驟（a）、活化生物炭；將生物炭加入氫氧化鉀水溶液中，攪拌后過濾，將過濾后的生物炭洗滌至ph為中性后烘干；

步驟（b）、胱胺修飾活化后的生物炭；取步驟（a）中制備的活化生物炭，加入戊二醛的甲醇溶液，在常溫下第一次攪拌均勻后，加入胱胺二鹽酸鹽和氫氧化鉀，在常溫下第二次攪拌均勻后，將反應(yīng)后的生物炭沖洗至ph為中性后烘干。

以生物炭為載體，戊二醛為交聯(lián)劑，將胱胺修飾到生物炭的表面，改性后的生物炭具備大量活性基團(tuán)（巰基、醛基、亞胺基），可以提高生物炭對重金屬鎘的吸附能力。

作為優(yōu)選，步驟（a）中，所述的生物炭和氫氧化鉀水溶液的質(zhì)量比為1:5~10。

作為優(yōu)選，上述的氫氧化鉀水溶液的濃度為1~5moll^-1。

作為優(yōu)選，步驟（a）中，所述的攪拌是指以120~180rpm攪拌且攪拌1~3h。

作為優(yōu)選，步驟（b）中，所述的第一次攪拌是指以120~180rpm攪拌且攪拌2~6h，所述的第二次攪拌是指以120~180rpm攪拌且攪拌6~18h。

作為優(yōu)選，步驟（b）中，所述的胱胺二鹽酸鹽和氫氧化鉀的質(zhì)量比為0.4~10：1。

作為優(yōu)選，步驟（b）中，所述的戊二醛的甲醇溶液的體積濃度為1~3%。

根據(jù)上述方法制備的胱胺改性生物炭。改性后的生物炭具備大量活性基團(tuán)（巰基、醛基、亞胺基），可以提高生物炭對重金屬離子特別是鎘離子的吸附能力。

本發(fā)明的有益效果：通過將胱胺修飾到生物炭表面，引進(jìn)與重金屬離子作用力強(qiáng)的基團(tuán)（如巰基、胺基和亞胺基等），這些基團(tuán)通過靜電作用和配位作用，實現(xiàn)對重金屬離子特別是鎘離子的特異性識別，提高對重金屬離子的負(fù)載量，提高了生物炭吸附重金屬離子的能力；本制備方法簡單、高效，對重金屬鎘離子的負(fù)載量高于常規(guī)的生物炭。

附圖說明

圖1是本發(fā)明制得的胱胺改性生物炭的流程圖。

圖2是本發(fā)明制得的胱胺改性生物炭的掃描電鏡圖。

圖3是本發(fā)明制得的胱胺改性生物炭對鎘吸附性能曲線。

圖4是本發(fā)明制得的胱胺改性生物炭對鎘吸附動力學(xué)曲線。

具體實施方式

為能清楚說明本方案的技術(shù)特點，下面通過具體實施方式，對本方案進(jìn)行闡述。

一種吸附重金屬鎘離子的胱胺改性生物炭的制備方法，其制作方法包括以下步驟：以下方法中生物炭是以稻殼生物炭為例進(jìn)行制備。

步驟（a）、活化生物炭；將一定量的稻殼生物炭加入濃度為1~5moll^-1氫氧化鉀水溶液中，保證稻殼生物炭和氫氧化鉀水溶液的質(zhì)量比為1:5~10，以120~180rpm攪拌且攪拌1~3h后，過濾去除稻殼生物炭表面雜質(zhì)，用去離子水洗滌至ph為中性，在真空干燥箱中75℃烘干且烘干24h；

步驟（b）、胱胺修飾活化后的生物炭；取步驟（a）中制備的活化稻殼生物炭5g，加入體積濃度為1~3%的戊二醛的甲醇溶液，在20℃~35℃下以120~180rpm攪拌且攪拌2~6h后，加入胱胺二鹽酸鹽0.25~1.25g和氫氧化鉀0.1244~0.6222g混合，在20℃~35℃下以120~180rpm攪拌且攪拌6~18h后，將反應(yīng)后的稻殼生物炭用去離子水沖洗至ph為中性后在真空干燥箱中75℃烘干且烘干6~18h。

由圖1和圖2可知，所制備的胱胺改性稻殼生物炭活化完全，具備孔穴結(jié)構(gòu)，表面覆蓋了含s、n、o等官能團(tuán)。

針對得到的胱胺改性稻殼生物炭對鎘離子的吸附量評價，可通過以下試驗測量：

具體步驟如下：

（1）用cd(no3)2?4h2o配成濃度分別為1、2、3、4、5和6mgl^-1的溶液，所有溶液均用0.01moll^-1的氯化鈉作為背景電解質(zhì)。

（2）稱取0.1g改性稻殼生物炭放于50ml聚乙烯離心管中，并記錄其準(zhǔn)確質(zhì)量m；加入50ml不同濃度的cd²⁺溶液，30℃恒溫條件下以140rpm震蕩5h。

（3）用0.45μm的水系濾膜過濾，濾液稀釋后用電感耦合等離子體質(zhì)譜測定cd²⁺濃度。

（4）單位吸附材料對重金屬吸附量的計算公式：

（1-1）

公式1-1中qe為平衡時單位吸附劑吸附溶液中重金屬的量（mgg^-1），c0是初始溶液的重金屬離子濃度（mgl^-1），ce是平衡時溶液中重金屬離子濃度（mgl^-1），v是溶液的體積（l），w是生物炭的質(zhì)量（g）。

由圖3的吸附曲線可知，胱胺改性稻殼生物炭對金屬鎘的吸附量為2.7537mgg^-1，遠(yuǎn)高于未經(jīng)改性的稻殼生物炭對金屬鎘的吸附量0.6186mgg^-1，說明胱胺改性稻殼生物炭能夠提高對重金屬鎘的吸附能力。

（注：試驗過程中，做不添加材料的空白試驗，驗證過程中是否存在離心管對cd²⁺的吸附以及是否存在污染）。

針對上述吸附cd²⁺的胱胺改性稻殼生物炭動力學(xué)性能評價，可通過以下試驗得到：

具體步驟如下：

（1）配制80ml濃度為10mgl^-1的cd²⁺溶液并轉(zhuǎn)移至100ml容量瓶中，以0.01moll^-1的氯化鈉作為背景電解質(zhì)。

（2）加入0.1g改性稻殼生物炭，在一定溫度（25℃）下，以140rpm震蕩，并于0、5、10、20、30、60、90min和2、3、5、7、9、12、15、18、20、30、40h分別取樣。

（3）樣品經(jīng)0.45μm水系濾膜過濾，濾液稀釋后用電感耦合等離子體質(zhì)譜測定濾液中cd²⁺的質(zhì)量濃度，并計算平衡時吸附量。

（4）平衡吸附量qe和去除率η為：

(2-1)

(2-2)

2-1式和2-2式中，qe為平衡吸附量（mgg-1），c0、ce為吸附質(zhì)的初始濃度和平衡濃度（mgl^-1），v為溶液體積（l），w為生物炭的質(zhì)量（g），η為去除率（%）。

由圖4的胱胺改性稻殼生物炭對鎘的吸附動力學(xué)曲線可知，在前300min，cd²⁺的去除率迅速升高，達(dá)到吸附總量的50%以上。隨著吸附時間延長，吸附速率變慢，最終達(dá)到平衡，平衡時間為1200min。符合偽二級動力學(xué)模型，由方程測得的吸附量和實際吸附量幾乎相同。

通過以上實驗可以得出，本發(fā)明所制備的胱胺改性稻殼生物炭能夠特異的吸附重金屬離子，對重金屬鎘的負(fù)載量高于常規(guī)的稻殼生物炭。

當(dāng)然，上述說明也并不僅限于上述舉例，本發(fā)明未經(jīng)描述的技術(shù)特征可以通過或采用現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)，在此不再贅述；以上實施例及附圖僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案并非是對本發(fā)明的限制，參照優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換都不脫離本發(fā)明的宗旨，也應(yīng)屬于本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍。