一种豆浆吸附-絮凝剂及其制备方法和金属离子废水处理剂

1.本发明属于吸附-絮凝剂材料技术领域，具体涉及一种豆浆吸附-絮凝剂及其制备方法和金属离子废水处理剂。


背景技术：

2.稀土元素因其独特的4f电子结构和特殊的物理和化学结构，在军事技术、石油化工、冶金工业以及玻璃陶瓷等领域均存在广泛应用，并有“工业黄金”、“工业维生素”之称，故其是一种极其重要的战略资源。
3.我国拥有世界上最丰富的稀土资源，其中，江西赣南地区更是拥有大量富含重稀土的风化壳淋积型稀土矿，又称离子吸附型稀土矿。离子吸附型稀土矿通常采用湿法进行开采和提纯，但是这一过程不仅会产生含低浓度稀土离子废水，同时稀土矿中伴生的重金属及放射性元素，如cr、cd、pb、zn、as、th或u等，其会随冶炼过程中进入水体，同时将会对矿区周边的生态环境及居民的生命健康造成巨大威胁。
4.目前，针对废水中重金属和稀土离子的处理技术主要包括：膜法、过滤法、吸附法以及沉淀法等，其中吸附法利用多孔性固体(吸附剂)吸附废水中的重金属和稀土离子(吸附质)，以达到净化废水的目的，因其具有操作简单、成本低和效率高等优势，故其一直是研究的热点。现行技术为达到更高效的去除效果，往往需要在活性炭、硅藻土、功能化氧化硅或碳纳米管等常用吸附剂基础上添加功能化试剂，造成合成成本偏高，制约了吸附法在含重金属和稀土离子废水处理中的大规模应用。
5.因此，如何制备一种低成本、可大规模生产的高效去除稀土和重金属离子的吸附剂，是本领域重要的研究方向。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种豆浆吸附-絮凝剂及其制备方法和金属离子废水处理剂。本发明提供的豆浆吸附-絮凝剂不仅能够高效去除废水中重金属与稀土离子，同时还兼具制备成本的经济性和大规模生产的可行性。
7.为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
8.第一方面，本发明提供一种制备豆浆吸附-絮凝剂的方法，所述方法包括以下步骤：
9.(1)将预处理后的大豆和水进行混合，得到前驱体材料；
10.(2)将步骤(1)得到的前驱体材料转移至粉碎机后，加水至粉碎机对应的水位刻度线，经过粉碎处理后得到所述豆浆吸附-絮凝剂。
11.本发明是以预处理后的大豆为原料，经过粉碎处理后制备得到了一种豆浆吸附-絮凝剂，由于大豆中含有丰富的蛋白质，上述豆浆吸附-絮凝剂的本质是一种富含各类蛋白质的水溶液。蛋白质是由α-氨基酸通过肽键组成的一种有机生物大分子，具有酸碱两性的特征，可形成比较稳定的亲水胶体。蛋白质表面存在的极性基团和水分子作用形成的水合
层和偏离等电位点下形成的同性电荷层是蛋白质颗粒能够在溶液中均匀以及稳定分散的关键环节。当引入无机盐时，由于无机盐具有更强的电离作用和亲水性，蛋白质表面的水合层和同性电荷层会被破坏，使得蛋白质聚集成团并产生絮凝沉淀，从而对废水中的稀土离子和重金属离子进行有效去除。
12.本发明制备得到的豆浆吸附-絮凝剂的原料不仅廉价易得，而且制备方法极其简单，无需添加任何额外的化工原料，具有巨大的应用前景。
13.优选地，步骤(1)中所述预处理包括洗涤处理。
14.优选地，所述洗涤处理为采用去离子水进行洗涤。
15.优选地，步骤(1)中所述大豆包括黄豆。
16.优选地，步骤(1)中所述大豆的质量为30-70g，例如可以为30g、35g、40g、45g、50g、55g、60g、65g、70g等。
17.在本发明中，通过调控大豆的质量，使制备的吸附剂具有最佳的吸附效果，质量过低则会使絮凝-吸附剂中蛋白质含量过低，难以发生有效的絮凝，影响重金属离子的去除效果，反之则会造成不必要的资源浪费。
18.优选地，步骤(1)中所述水包括去离子水。
19.优选地，步骤(1)中所述水的体积为100-300ml，例如可以为100ml、120ml、150ml、180ml、200ml、220ml、250ml、280ml、300ml等。
20.优选地，步骤(1)中所述混合在浸泡下进行。
21.优选地，步骤(1)中所述混合的时间为10-15h，例如可以为10h、11h、12h、13h、14h、15h等。
22.优选地，步骤(2)中所述转移前需要将前驱体材料进行沥干处理。
23.优选地，步骤(2)中所述水包括去离子水。
24.优选地，步骤(2)中所述前驱体材料的质量和粉碎机对应水位刻度线的值的比为(30-70g):(700-900ml)，例如可以为30g:700ml、35g:720ml、40g:750ml、45g:780ml、50g:800ml、55g:820ml、60g:850ml、65g:880ml、70g:900ml等。
25.在本发明中，通过调控前驱体材料的质量和水的体积比，使得吸附-絮凝剂中具有合适的蛋白质含量，质量体积比过高则会造成不必要的资源浪费，在污染物浓度一定的情况下，蛋白质含量在达一定范围后，去除效果将无明显变化反之则会影响制得的吸附-絮凝剂对金属离子的去除效果，除此之外，加水的体积若超过粉碎机允许上限，将会影响粉碎的正常进行。
26.优选地，步骤(2)中所述粉碎处理的时间为150-250s，例如可以为150s、180s、200s、220s、250s等；速率为16000-48000r/min，例如可以为16000r/min、18000r/min、20000r/min、24000r/min、28000r/min、30000r/min、32000r/min、38000r/min、40000r/min、42000r/min、44000r/min、46000r/min、48000r/min等。
27.作为本发明优选的技术方案，所述方法包括以下步骤：
28.(1)将采用去离子水进行洗涤后的30-70g黄豆和100-300ml去离子水进行浸泡10-15h，得到前驱体材料；
29.(2)将步骤(1)得到的前驱体材料进行沥干处理，而后将前驱体材料转移至粉碎机后，加水至粉碎机对应的水位刻度线，其中所述前驱体材料的质量和粉碎机对应水位刻度
线的值的比为(30-70g):(700-900ml)，经过粉碎处理后得到所述豆浆吸附-絮凝剂，其中所述粉碎处理的时间为150-250s，速率为16000-48000r/min。
30.第二方面，本发明提供了一种豆浆吸附-絮凝剂，所述豆浆吸附-絮凝剂是由根据第一方面所述的制备豆浆吸附-絮凝剂的方法制备得到的。
31.第三方面，本发明提供了一种金属离子废水处理剂，所述金属离子废水处理剂包括根据第二方面所述的豆浆吸附-絮凝剂。
32.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
33.本发明提供了一种制备豆浆吸附-絮凝剂的方法，其提供的豆浆吸附-絮凝剂是以预处理后的大豆为原料，经过粉碎处理后制备得到了一种豆浆吸附-絮凝剂，由于大豆中含有丰富的蛋白质，上述豆浆吸附-絮凝剂的本质是一种富含各类蛋白质的水溶液。蛋白质是由α-氨基酸通过肽键组成的一种有机生物大分子，具有酸碱两性的特征，可形成比较稳定的亲水胶体。蛋白质表面存在的极性基团和水分子作用形成的水合层和偏离等电位点下形成的同性电荷层是蛋白质颗粒能够在溶液中均匀以及稳定分散的关键环节。当引入无机盐时，由于无机盐具有更强的电离作用和亲水性，蛋白质表面的水合层和同性电荷层会被破坏，使得蛋白质聚集成团并产生絮凝沉淀，从而对废水中的稀土离子和重金属离子进行有效去除。
34.本发明制备得到的豆浆吸附-絮凝剂的原料不仅廉价易得，而且制备方法极其简单，无需添加任何额外的化工原料，具有巨大的应用前景。
具体实施方式
35.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
36.实施例1
37.本实施例提供了一种制备豆浆吸附-絮凝剂的方法，所述方法包括以下步骤：
38.(1)将采用去离子水进行洗涤后的50g黄豆和200ml去离子水进行浸泡10h，得到前驱体材料；
39.(2)将步骤(1)得到的前驱体材料进行沥干处理，而后将前驱体材料转移至粉碎机后，加水至粉碎机对应的水位刻度线，其中所述前驱体材料的质量和粉碎机对应水位刻度线的值的比为50g:750ml，经过粉碎处理后得到所述豆浆吸附-絮凝剂，其中所述粉碎处理的时间为200s，速率为30000r/min。
40.实施例2
41.本实施例与实施例1的区别之处在于，步骤(1)中黄豆的质量为30g，其他均与实施例1相同。
42.实施例3
43.本实施例与实施例1的区别之处在于，步骤(1)中黄豆的质量为60g，其他均与实施例1相同。
44.实施例4
45.本实施例与实施例1的区别之处在于，步骤(1)中黄豆的质量为70g，其他均与实施例1相同。
46.实施例5
47.本实施例与实施例1的区别之处在于，步骤(1)中黄豆的质量为80g，其他均与实施例1相同。
48.实施例6
49.本实施例与实施例1的区别之处在于，步骤(2)中前驱体材料的质量和去离子水的体积比为20g:600ml，其他均与实施例1相同。
50.测试条件
51.将实施例1至实施例6提供的豆浆吸附-絮凝剂进行稀土离子和重金属离子去除测试，测试方法如下：
52.(1)将30ml豆浆吸附-絮凝剂加入到100ml pb
2+
、pr
3+
和nd
3+
(初始浓度如表1所示)的污染物中，在水浴摇床中，80℃下振荡吸附-絮凝2h，振荡速度110r/min，随后静置24h，取2ml上清液，采用电感耦合等离子体发射光谱仪(pq9000)测定其中pb
2+
、pr
3+
和nd
3+
的浓度，测试结果如表1所示；
53.(2)将实施例1提供的豆浆吸附-絮凝剂进行不同温度下的吸附测试：配置4份100ml pb
2+
、pr
3+
和nd
3+
(初始浓度如表2所示)的污染物中，均加入30ml豆浆吸附-絮凝剂，分别在室温、40℃、60℃和80℃下振荡吸附-絮凝2h，振荡速度110r/min，随后静置24h，取2ml上清液，测试结果如表2所示；
54.(3)将实施例1提供的豆浆吸附-絮凝剂进行不同初始浓度的目标污染物的吸附测试：配置3份100ml pb
2+
、pr
3+
和nd
3+
的污染物(初始浓度如表3所示)，均加入30ml豆浆吸附-絮凝剂，在80℃下振荡吸附-絮凝2h，振荡速度110r/min，静置24h后，取2ml上清液，测试结果如表3所示。
55.测试结果如表1-表3所示：
56.表1
[0057] pb
2+
(mg/l)nd
3+
(mg/l)pr
3+
(mg/l)初始浓度78.9275.278.76实施例10.84480.720.3788实施例21.15081.5241.0744实施例30.67041.05120.5144实施例40.62561.160.5872实施例50.98081.24880.7696实施例62.29843.31842.7904
[0058]
由表1可以看出，(1)当黄豆的投加量为50g时制备的豆浆吸附-絮凝剂对pr
3+
和nd
3+
具有最佳的去除效果。(2)随着黄豆投加量的增加，其制备的豆浆吸附-絮凝剂对pb
2+
的吸附效果有所提升，而对pr
3+
和nd
3+
的去除效果却有所减弱，但总的来说提升和减弱的程度并不明显；(3)当黄豆投加量达80g时制备的豆浆吸附-絮凝剂对pb
2+
、pr
3+
和nd
3+
的去除率均有所下降。综上所述，针对废水中金属离子的去除，制备豆浆吸附-絮凝剂所对应的黄豆存在一个最优投加量，而并非投加的黄豆越多越好。
[0059]
表2
[0060][0061][0062]
由表2可以看出，随着水浴温度逐步升高，对应金属离子的去除效果亦逐步变好，说明提升水浴温度有助于促进大豆蛋白的絮凝沉淀，进而提升废水中金属离子的去除率。如表2中当温度为80℃时，对应的目标污染物pb
2+
、pr
3+
和nd
3+
的剩余浓度均低于1mg/l，实现较好的去除效果，然而当温度进一步提升，其对应的污染物去除效率可能会有所提高，但所消耗的能耗却会大幅增加。因此，水浴温度并不是越高越好，而是要和能耗等多方面因素进行综合考虑。
[0063]
表3
[0064] pb
2+
(mg/l)nd
3+
(mg/l)pr
3+
(mg/l)初始浓度1115.4115.4115.4吸附后1.4160.991.481初始浓度2153.85153.85153.85吸附后3.1065.0955.99初始浓度3192.31192.31192.31吸附后37.227.127.54
[0065]
由表3可以看出，当豆浆吸附-絮凝剂投加量一定的情况下，废水中金属离子浓度的升高，其对应的吸附效果会逐步减弱。说明所制备的豆浆吸附-絮凝剂具有一定的吸附-絮凝饱和量，只有当废水中金属离子浓度未超出所制备的豆浆吸附-絮凝剂的吸附-絮凝饱和量时，才会对废水中的金属离子进行有效去除。
[0066]
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的工艺方法，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，如对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

技术特征：
1.一种制备豆浆吸附-絮凝剂的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将预处理后的大豆和水进行混合，得到前驱体材料；(2)将步骤(1)得到的前驱体材料转移至粉碎机后，加水至粉碎机对应的水位刻度线，经过粉碎处理后得到所述豆浆吸附-絮凝剂。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述预处理包括洗涤处理；优选地，所述洗涤处理为采用去离子水进行洗涤。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述大豆包括黄豆；优选地，步骤(1)中所述大豆的质量为30-70g。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述水包括去离子水；优选地，步骤(1)中所述水的体积为100-300ml。5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述混合在浸泡下进行；优选地，步骤(1)中所述混合的时间为10-15h。6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述转移前需要将前驱体材料进行沥干处理；优选地，步骤(2)中所述水包括去离子水。7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述前驱体材料的质量和粉碎机对应水位刻度线的值的比为(30-70g):(700-900ml)；优选地，步骤(2)中所述粉碎处理的时间为150-250s，速率为16000-48000r/min。8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将采用去离子水进行洗涤后的30-70g黄豆和100-300ml去离子水进行浸泡10-15h，得到前驱体材料；(2)将步骤(1)得到的前驱体材料进行沥干处理，而后将前驱体材料转移至粉碎机后，加水至粉碎机对应的水位刻度线，其中所述前驱体材料的质量和粉碎机对应水位刻度线的值的比为(30-70g):(700-900ml)，经过粉碎处理后得到所述豆浆吸附-絮凝剂，其中所述粉碎处理的时间为150-250s，速率为16000-48000r/min。9.一种豆浆吸附-絮凝剂，其特征在于，所述豆浆吸附-絮凝剂是由根据权利要求1-8中任一项所述的制备豆浆吸附-絮凝剂的方法制备得到的。10.一种金属离子废水处理剂，其特征在于，所述金属离子废水处理剂包括根据权利要求9所述的豆浆吸附-絮凝剂。

技术总结
本发明提供一种豆浆吸附-絮凝剂及其制备方法和金属离子废水处理剂。所述方法包括以下步骤：(1)将预处理后的大豆和水进行混合，得到前驱体材料；(2)将步骤(1)得到的前驱体材料转移至粉碎机后，加水至粉碎机对应的水位刻度线，经过粉碎处理后得到所述豆浆吸附-絮凝剂。本发明提供的豆浆吸附-絮凝剂不仅能够高效去除废水中重金属与稀土离子，同时还兼具制备成本的经济性和大规模生产的可行性。本的经济性和大规模生产的可行性。


技术研发人员：袁文静 周晨亮 章星宇 石绍渊 胡康 鞠培海 陈冬冬 叶成宇
受保护的技术使用者：中国科学院赣江创新研究院
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/9/6