CN101302273A - 壳聚糖-丙烯酰胺接枝共聚絮凝剂的制备方法 - Google Patents
壳聚糖-丙烯酰胺接枝共聚絮凝剂的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种壳聚糖-丙烯酰胺接枝共聚絮凝剂的制备方法,它是以壳聚糖(简写为CTS)和丙烯酰胺(简写为AM)为原料,以硝酸铈铵为引发剂,在氮气的保护下在一定条件下合成的。具体的合成条件是:反应物壳聚糖和丙烯酰胺占整个反应体系质量浓度的7%-15%,反应物质量比m(壳聚糖)∶m(丙烯酰胺)为1∶4到1∶8之间,引发剂质量浓度为0.04%-0.1%,反应温度为40-60℃,反应时间为3-4h。采用上述制备方法合成的壳聚糖-丙烯酰胺絮凝剂经红外和电镜扫描图谱分析证明,合成了一种新型絮凝剂,其表面形态呈凹凸状,具有较大的比表面积有利于吸附絮凝。该方法采用工业级的壳聚糖为原料,操作简单,产物接枝率高达396.4%,对模拟废水的除浊率为94.9%,适用于污泥脱水、污水处理和重金属捕集。
Description
技术领域
本发明属于有机高分子的合成领域,特别涉及一种壳聚糖-丙烯酰胺接枝共聚絮凝剂的制备方法。
背景技术
壳聚糖是一种天然高分子物质,由于其分子结构特殊,含有活泼的-NH2和-OH,具有多种生物化学性质,而且在自然界的产量大。已被广泛的应用在农业、生物工程、医药、环保、食品、化妆品、纺织、印染、造纸等领域。壳聚糖作为一种天然高分子絮凝剂在许多方面有独特的优势,它可以作为污泥脱水剂、水处理絮凝剂和重金属捕集剂。
由于壳聚糖分子链上分布着许多羟基,氨基,还有一些N-乙酰氨基,它们会形成分子内和分子间的氢键。由于氢键的作用,使甲壳素分子间存在着有序结构,分子链的刚性较大,结构致密,结晶度高,不溶于水和碱液。此外,壳聚糖分子量不够大,直接使用时存在处理效果不够好,成本高等缺点,这就在很大程度上限制了这种天然物质的应用。目前,对壳聚糖絮凝剂的研究主要集中在如何将壳聚糖进行化学改性,使它易溶于水,增大其分子量,改变某些分子结构使它具有更强的絮凝性。
目前,有关壳聚糖和丙烯酰胺接枝聚合反应的研究存在所用原料品级高,操作步骤复杂,反应程度不高的缺点。一般,接枝共聚反应的程度高低用产物的接枝率和接枝效率为参数,接枝率和接枝效率越高,说明反应进行的程度越高,原料的利用率越高。董晓巍在《水产科学》上发表的论文“壳聚糖与丙烯酰胺接枝聚合反应的研究”,以食品级壳聚糖为原料,以三角烧瓶为反应器,产物的接枝率和接枝效率都较低,分别为90%和14%左右。这可能是反应器皿仅有一个进料口,在进料同时不能够同时搅拌并通人保护气体,造成反应效果不佳。曹丽云等发表的论文“壳聚糖和丙烯酰胺接枝共聚反应的研究”同样存在产物接枝率和接枝效率都不高的问题,在产物提纯时需要用砂芯漏斗进行过滤操作,增加了操作工艺。王萍等“壳聚糖丙烯酰胺接枝共聚高分子絮凝剂研究”所用壳聚糖脱乙酰度在80%,在反应过程中预先配制引发剂硝酸铈铵的浓度为0.1mol/L,产物提纯时需要调解pH值,这都增加了工艺步骤,费时费力。中国专利CN1654497公开了一种“壳聚糖接枝三元共聚高分子絮凝剂及其制备方法与应用”,它采用壳聚糖、丙烯酰胺、阳离子单体为原料合成三元聚合物,所述方法添加了阳离子单体为原料,采用的引发剂为过氧化类或过硫酸盐类。并且需要添加表面活性剂来分散反应体系,因而对产物的分离提纯造成困难。如不将产物中的杂质去除干净,可能对产物的性能产生不良的影响。
发明内容
本发明的目的是针对壳聚糖分子作为絮凝剂时存在的不足之处,以及现有壳聚糖-丙烯酰胺接枝共聚物制备方法存在的缺陷,提供一种操作简便,制备时间短,成本低的壳聚糖-丙烯酰胺接枝共聚物的制备方法。
本发明是通过以下技术方案来实现上述目的的:以壳聚糖和丙烯酰胺为原料,在氮气的保护下,以硝酸铈铵为引发剂,在水溶液中反应。具体的步骤和反应条件如下:
(1)加原料并搅拌溶解
在带有搅拌装置的三颈烧瓶中加入一定量的壳聚糖,并加入1%的醋酸溶液,搅拌至壳聚糖溶解后,加入丙烯酰胺单体,控制反应物的总浓度为反应体系的7%-15%,反应物质量比m(壳聚糖)∶m(丙烯酰胺)为1∶4到1∶8之间;
(2)加引发剂引发反应
控制反应体系的温度为40-60℃后,向三颈瓶中通氮气除尽氧气,在氮气保护下加入引发剂硝酸铈铵,控制它的质量占反应体系总质量的0.04%-0.1%;
(3)进行反应
密闭反应器皿,保持反应体系的温度为40-60℃,反应3-4h;
(4)结束反应
反应到预定时间后,用冷水冲洗三颈瓶的外壁,使聚合反应终止;
(5)产物提纯及烘干造粒
将反应器皿中的产物倒入丙酮溶液中搅拌,此时有白色沉淀析出。用乙醇、乙醇和水的混合液(体积比为7∶3)分别浸泡白色沉淀12h,去除未反应的原料及均聚物;然后真空下80℃干燥到恒重、研磨成小颗粒。
本发明采用上述技术方案后,主要具有以下优点:
1、反应原料和试剂廉价易得,制备步骤简单易行,反应时间较短,效率高,产物的接枝率和接枝效率较高。
2、产物的絮凝效果好,由于该合成反应将活性基团-CONH2,-NH2引入壳聚糖分子链中,具有吸附作用。支链的增加又使壳聚糖的“网捕”作用加强,这都促使壳聚糖分子比改性前具有更好的絮凝效果。高岭土模拟废水试验证实,产物的除浊率达到94.9%,而未接枝前壳聚糖的最佳除浊率仅为74.0%。
3、绿色环保,天然高分子物质壳聚糖无毒无害,易生物降解,不会对环境造成二次污染。
4、应用范围广,正如技术背景中所述,该产物加强了壳聚糖本身的特性,不仅可以用作一般的污水处理,还可以用于重金属离子的捕集以及污泥脱水。
附图说明
图1为本发明制备的产物和壳聚糖的红外光谱对照图,其中1#是产物,2#是壳聚糖。
图2为本发明制备的产物的电镜扫描图谱
图3为壳聚糖的电镜扫描图谱
图4为壳聚糖和发明制备的产物的絮凝能力的对比图
具体实施方式
本发明所述的制备方案经过大量单因素及正交实验验证,在上述较宽的试验参数范围内都能得到产物。
实施例一
(1)加原料并搅拌溶解
在带有搅拌装置的三颈烧瓶中加入一定量的工业级壳聚糖(脱乙酰度42%),并加入1%的醋酸溶液,搅拌至壳聚糖溶解后,加入丙烯酰胺单体,控制反应物的总浓度为反应体系的11%,反应物质量比m(壳聚糖)∶m(丙烯酰胺)为1∶8;
(2)加引发剂引发反应
控制反应体系的温度为45℃后,向三颈瓶中通氮气30min除尽氧气,在氮气的保护下加入引发剂硝酸铈铵,控制它的质量占反应体系总质量的0.06%;
(3)进行反应
密闭反应器皿,保持反应体系的温度为45℃,反应3.5h;
(4)结束反应
反应到预定时间后,用冷水冲洗三颈瓶的外壁,使聚合反应终止;
(5)产物提纯及烘干造粒
将反应器皿中的产物直接倒入丙酮溶液中搅拌,不需要调节pH值,此时有白色沉淀析出。用乙醇、乙醇和水的混合液(体积比为7∶3)分别浸泡白色沉淀12h,去除未反应的原料及均聚物;然后真空下80℃干燥到恒重、研磨成小颗粒。
由该实施方案制备的产物,其红外光谱和电镜扫描图谱与原料壳聚糖的图谱比对如图1所示。其中,2#图谱是原料壳聚糖的图谱,其中3427cm-处的强峰为O-H,N-H以及多糖上分子间氢键的伸缩振动峰,这是在壳聚糖以及壳聚糖接枝物的红外光谱图上都存在的。1643cm-处的吸收峰为酰胺I带特征峰。1401cm-处是-CH2变形振动峰,1089cm-处是β-D-吡喃葡萄糖苷的特征峰。1#谱图是产物的图谱,可以看到图中的几个强吸收峰的位置都发生了一定的偏移,原有的3427cm-处的强峰向低波数3408cm-移动。在2931cm-处出现了新的吸收峰,可以归属于丙烯酰胺上的-CH2变形振动峰。由于发生了化学反应,1643cm-处的酞胺I带特征峰移向了高波数1655cm-。在1316cm-处出现了新的吸收峰,这些都证明壳聚糖己和丙烯酰胺发生了接枝反应。
图2和图3分别是产物和壳聚糖的电镜扫描图谱。由图可见,接枝后的产物表面微观形态发生了较大变化,产物的表面结构是大量针状凸起,这就大大增加了它的比表面积和吸附能力,有助于提高架桥、絮凝能力,表明了更利于絮凝的物质形态结构。
实施例二,以实施例一为基础,改变反应物的总浓度为13%,m(壳聚糖)∶m(丙烯酰胺)为1∶6,引发剂浓度为0.08%,通氮气时间20min,反应时间4.0h,其他条件不变进行反应。
实施例三,以实施例一为基础,改变反应物的总浓度为9%,m(壳聚糖)∶m(丙烯酰胺)为1∶4,引发剂浓度为0.04%,反应温度50℃,通氮气时间20min,其他条件不变进行反应。
实施例四,本实施例是为了验证壳聚糖-丙烯酰胺接枝共聚絮凝剂的性能,具体步骤如下:
(1)配置和测定高岭土模拟废水
将5g高岭土溶于1L的烧杯中,搅拌均匀,即得高岭土模拟废水,用紫外可见分光光度计测定该模拟废水的吸光度;
(2)加絮凝剂
分别加入质量比为1%的壳聚糖和壳聚糖-丙烯酰胺接枝共聚絮凝剂1.0、2.0、3.0、4.0、5.0ml于200ml模拟废水中,搅拌后静置5min;
(3)测定吸光度
吸取上述溶液的上层清液,用紫外可见分光光度计测定溶液的吸光度;
(4)计算浊度的去除率
根据吸光度值确定溶液的浊度,并根据公式:(T1-T2)/T1计算浊度的去除率,其中:T1是加絮凝剂前模拟废水的浊度,T2是加絮凝剂后模拟废水的浊度。
计算结果的曲线图如图4所示。结果表明,壳聚糖-丙烯酰胺接枝共聚絮凝剂具有比壳聚糖更好的絮凝除浊能力,最佳的浊度去除率达94.9%。而未接枝前,壳聚糖的最佳除浊率仅为74%。这说明接枝共聚反应可以有效地将丙烯酰胺接枝到壳聚糖大分子中,将壳聚糖的分子侧链延长,并引入了加强絮凝能力的酰胺基,加强了鳌合吸附能力。
Claims (4)
1、一种壳聚糖-丙烯酰胺接枝共聚絮凝剂的制备方法,其特征在于它是按照以下步骤完成的:
(1)加原料并搅拌溶解
在带有搅拌装置的三颈烧瓶中加入一定量的壳聚糖,并加入1%的醋酸溶液,搅拌至壳聚糖溶解后,加入丙烯酰胺单体,控制反应物的总浓度为反应体系的7%-15%,反应物质量比m(壳聚糖)∶m(丙烯酰胺)为1∶4到1∶8之间;
(2)加引发剂引发反应
控制反应体系的温度为40-60℃后,向三颈瓶中通氮气除尽氧气,在氮气保护下加入引发剂硝酸铈铵,控制它的质量占反应体系总质量的0.04%-0.1%;
(3)进行反应
密闭反应器皿,保持反应体系的温度为40-60℃,反应3-4h;
(4)结束反应
反应到预定时间后,用冷水冲洗三颈瓶的外壁,使聚合反应终止;
(5)产物提纯及烘干造粒
将反应器皿中的产物倒入丙酮溶液中搅拌,此时有白色沉淀析出,用乙醇、乙醇和水的混合液(体积比为7∶3)分别浸泡白色沉淀12h,去除未反应的原料及均聚物;然后真空下80℃干燥到恒重、研磨成小颗粒。
2、根据权利要求1所述的壳聚糖-丙烯酰胺接枝共聚絮凝剂的制备方法,其特征在于所采用的壳聚糖是工业级的,并且不需要进行任何预处理。
3、根据权利要求1、2所述的壳聚糖-丙烯酰胺接枝共聚絮凝剂的制备方法,其特征在于添加原料壳聚糖及丙烯酰胺时,不必预先配制成溶液,直接以粉状固体添加到反应器皿中,引发剂硝酸铈铵溶于少量去离子水后添加,不需要控制其溶液浓度。
4、根据权利要求1、2、3所述的壳聚糖-丙烯酰胺接枝共聚絮凝剂的制备方法,其特征在于通入N2的时间为20min-30min,不必在整个反应过程中都通入N2。
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