一种利用量子点处理淡水中重金属离子的方法技术

本发明专利技术属于污水处理领域，公开了一种利用量子点处理淡水中重金属离子的方法。本发明专利技术合成巯基丙酸修饰的CdSe/ZnS量子点(QD‑MPA)和谷胱甘肽修饰的CdSe/ZnS量子点(QD‑GSH)，由于量子点的纳米尺寸效应，使得该量子点拥有极大的比表面积和很强的吸附能力。与常规纳米材料相比，量子点的水相合成方法较为简单，成本低廉，且核壳结构量子点的结构稳定、易于修饰，能够大大提高其吸附效率。

A Method of Treating Heavy Metal Ions in Freshwater by Quantum Dots

【技术实现步骤摘要】
一种利用量子点处理淡水中重金属离子的方法
本专利技术主要涉及一种利用量子点处理淡水中重金属离子的方法，属于污水处理领域。
技术介绍
随着现代工业的快速发展，含重金属(离子)工业废水的排放量急剧增加，由于重金属毒性大、难降解、易被生物富集、能经过食物链传递等特点，其对水资源的污染已经严重威胁到了生态系统和人体健康。常见的重金属有汞、铬、铅、砷、锌、铜、镍等。水体中的重金属离子在痕量水平即表现出高的毒性及致癌性,其可通过食物链的富集作用蓄积于动物体内造成持久性的危害,并诱发多种疾病。探究水体中重金属的去除是保障用水安全及提高水资源重复利用性的有效手段。目前治理水环境中重金属离子的方法多种多样，如化学沉淀法、混凝沉淀法、电解法、离子交换法、吸附法和生物处理法等。其中，吸附法效果显著、操作简单、成本低廉，且吸附剂可以通过合适的解吸过程再生利用，因此吸附法被广泛应用。常见吸附剂主要有活性炭、介孔材料、高分子聚合物等，然而，常规吸附剂吸附容量小、吸附效率偏低，无法高效去除水体中的重金属离子。随着纳米技术的出现，各种纳米材料通过引入功能团或其他方法改善性能用于废水的治理。由于纳米材料的尺寸小于100nm，并且具有独特的性能，如比表面积大、吸附能力强、溶解速率快，而成为重金属污染治理中的热门吸附剂。现有的纳米材料作为吸附剂，有着各种各样的缺陷，例如去除效率低、吸附容量不足、易团聚、易氧化、需要进行复杂的修饰改性等等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于是提供一种利用结构稳定的CdSe/ZnS量子点去除水体中重金属离子的方法。实现本专利技术的技术解决方案是：制备巯基丙酸或谷胱甘肽修饰的CdSe/ZnS量子点(QD-MPA)，及淡水中重金属离子的吸附实验验证。本专利技术的技术方案概述如下：1.量子点的合成(1)CdSe量子点的合成方法先制备前驱体NaHSe，在50mL圆底烧瓶中迅速加入双蒸水2.0mL和0.04gNaHB4，震荡溶解，然后再加入Se粉，使二者的比例变为1:2，Se粉过量，抽真空，通入氮气除氧，在氮气保护下反应大约2.0h。先得到前驱体NaHSe颜色为无色透明。同时量取120mL双蒸水加入250mL的圆底烧瓶中，在氮气的保护下加入CdCl2(0.0154g)和巯基乙酸(18μLMAA)，调节溶液的pH至8.0，在隔绝氧气条件下反应30min，迅速加入新制备的NaHSe，每隔20min取样。有关方程式如下：2Se+4NaBH4+7H2O→2NaHSe+Na2B4O7+14H2↑CdSe(2)CdSe/ZnS量子点的合成方法取60mL制备好的CdSe量子点，同时滴加Na2S和ZnSO4溶液(在无氧的条件下进行)，在温度为50℃反应1h，得到CdSe/ZnS量子点，量子点浓度以溶液中Cd2+含量计算。最后取CdSe/ZnS核壳型量子点20mg溶于1.0mL氯仿中，再加入100μL0.1mol/L的巯基丙酸或谷胱甘肽，60℃加热反应1h。将溶液洗涤干燥后所得的量子点即为水溶性的巯基丙酸或谷胱甘肽修饰的CdSe/ZnS核壳型量子点。2.吸附实验将氯化镉和硫酸铜分别溶于去离子水中，配制一定含量的Cd2+、Cu2+溶液；按100mg/L量子点投加量在恒温摇床上进行吸附实验，保持吸附温度为30℃、震荡频率为200r/min；然后在一定的时间间隔取样，20000g离心后，采用石墨炉原子吸收法测定溶液中金属离子的剩余含量。计算吸附剂对重金属离子的吸附量：qt＝(ρt-ρ0)V/m。(2)式中，qt为吸附时间为t时的吸附量，ρt和ρ0分别为吸附时间为t时和初始液相中的Cd2+、Cu2+的质量浓度，V为待测溶液的体积，m为加入溶液中吸附剂的质量。当吸附达到平衡时(吸附时间达到24h后)，吸附量qe可参照(2)式计算，ρe为吸附平衡时溶液中Cd2+、Cu2+的质量浓度。本专利技术中所指的QD-MPA和QD-GSH分别是由巯基丙酸和谷胱甘肽修饰的核壳结构的量子点，具有很好的稳定性和分散性，特别是谷胱甘肽修饰的量子点，具有很好的生物相容性。修饰的配体为量子点提供了表面的负电荷，是其对重金属离子吸附能力的关键。本专利技术具有以下显著优点：(1)合成巯基丙酸修饰的CdSe/ZnS量子点(QD-MPA)与谷胱甘肽修饰的CdSe/ZnS量子点(QD-GSH)，由于量子点的纳米尺寸效应，使得该量子点拥有极大的比表面积和很强的吸附能力。(2)与常规纳米材料相比，量子点的水相合成方法较为简单，成本低廉。(3)核壳结构量子点的结构稳定、易于修饰，能够大大提高其吸附效率。附图说明图1为QD-MPA的透射电镜图；图2为QD-GSH的透射电镜图；图3为QD-MPA的荧光发射光谱；图4为QD-GSH的荧光发射光谱；图5为分别用QD-MPA及QD-GSH孵育24小时前后溶液中Cd的浓度图；图6为分别用QD-MPA及QD-GSH孵育24小时前后溶液的荧光强度图。具体实施方式以下提供本专利技术一种利用量子点处理淡水中重金属离子的方法及其专利技术效果。实施例1量子点的表征TEM检测结果显示，两种量子点具有相似的直径，QD-MPA为8.06±0.98nm(图1)，QD-GSH为8.28±0.58nm(图2)，量子点的分散性较好。QD-MPA和QD-GSH的Zeta电位值分别为-18.9±0.5和-26.2±1.1mV，证实两种量子点在水中带负电。在水中孵育24小时后，通过动态光散射(DLS)测定的QD-MPA和QD-GSH的流体动力学半径为26.94±1.2nm和16.1±1.5nm，表明其依然均匀分散，没有明显的聚集现象。此外，两种量子点最大发射波长为626nm(图3，图4)，且发射图谱都显示为窄而对称的曲线，表明量子点具有良好的光学性质。数据在表1中呈现。更重要的是，在24小时培养期间，量子点表现出稳定的荧光强度和可忽略的Cd2+释放，表明两种量子点在水中结构高度稳定(图5，图6)。表1QD-MPA和QD-GSH的物理化学性质实施例2两种量子点对重金属的吸附效果吸附实验的结果显示，QD-MPA对Cd2+和Cu2+的最大吸附量分别为30.2和23.3mg/g，QD-GSH对Cd2+和Cu2+的最大吸附量分别为33.5和28.46mg/g。两者的差异可能与量子点表面的电荷差异相关。与之相对比，已有文献报道的氨基功能化Fe3O4@SiO2纳米复合材料和羧甲基-β-环糊精聚合物修饰的Fe3O4纳米颗粒对重金属离子也有较好的吸附效果，不幸的是，这些改性方法通常过程较为复杂，并且制备的材料存在磁响应差和比表面积低等缺点。表2为几种不同吸附材料对Cd2+和Cu2+的吸附效果比较，不同材料对两种金属离子的去除效果明显不同，其中量子点的吸附效果具有明显优势。表2几种不同吸附剂对Cd2+和Cu2+的最大吸附量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用量子点处理淡水中重金属离子的方法，其特征在于，包括合成巯基丙酸修饰的CdSe/ZnS量子点以及合成谷胱甘肽修饰的CdSe/ZnS量子点的步骤。

【技术特征摘要】
1.一种利用量子点处理淡水中重金属离子的方法，其特征在于，包括合成巯基丙酸修饰的CdSe/ZnS量子点以及合成谷胱甘肽修饰的CdSe/ZnS量子点的步骤。2.如权利要求1所述的一种利用量子点处理淡水中重金属离子的方法，其特征在于，所述CdSe/ZnS量子点的合成方法如下：步骤1、合成CdSe量子点：先制备前驱体NaHSe，将双蒸水、NaHB4震荡溶解于反应器中，加入Se粉，抽真空，通入氮气去除氧气，室温在氮气保护下反应，得到无色透明的前驱体NaHSe；同时量取一定量的双蒸水加入到反应器中，在氮气保护下加入CdCl2和巯基乙酸，调节溶液pH至8.0，在无氧条件下反应，迅速加入新制备的前驱体NaHSe，每隔20min取样，反应公式如下：2Se+4NaBH4+7H2O→2NaHSe+Na2B4O7+14H2↑CdSe步骤2、合成CdSe/ZnS量子点：向已制备的CdSe量子点中同时滴加Na2S和ZnSO4溶液，量子点浓度以溶液中Cd2+含量计算，最后取CdSe/ZnS核壳型量子点溶于氯仿中，再加入的巯基丙酸或谷胱甘肽，加热反应，将溶液洗涤干燥后所得的量子点即为水溶性的巯基丙酸或谷修饰的CdSe/ZnS核壳型量子点。3.如权利要求2所述的一种利用量...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洁，王子云，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31