CN102861558A - 聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料的制备方法，包括以下步骤：①将聚丙烯腈微球加入至反应溶剂中浸泡；②在步骤①的所得物中加入作为配体的2-氨基-1,3,4-噻二唑，作为催化剂的金属钠，在氮气保护下于130~150℃，以200~300 r/min的转速搅拌反应13~15小时；反应结束后，过滤，得改性后的聚丙烯腈螯合树脂；③将改性后的聚丙烯腈螯合树脂用反应溶剂浸泡洗涤至洗涤液为无色，再依次用去离子水、乙醇、乙醚洗涤数次，然后用蒸馏水洗涤，接着依次进行碱洗、水洗、酸洗和水洗，40~60℃下干燥至恒重，得聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料。

Description

聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料的制备方法，具体涉及一种对食品中重金属离子具有选择性吸附、吸附性能好、可重复利用的改性螯合树脂金属吸附材料及其制备方法。

背景技术

随着现代分析技术和分析仪器的发展（如ICP-AFS、AAS及ICP-AES等），元素的检测限已经大幅降低，例如，使用ICP-MS可以检测出ppt级的金属离子。但是，在痕量和超痕量重金属元素分析过程中，由于大量共存元素的干扰，直接测定常常很困难。为此，一种办法是发展仪器的联用技术，如ICP-MS等，但此种方法操作较为复杂、费用大且费时，因而较难实现常规分析化；另一种方法则是预先进行分离富集，然后用常规仪器测定。因此，寻求一种物美价廉，既不产生污染又能有效分离富集重金属离子的吸附材料，在分析检测、资源回收等方面有着重要的研究价值和广泛的应用前景。

螯合树脂作为富集分离痕量金属离子常见的手段之一，因其具有富集选择性比较好、被富集离子容易分离、树脂可再生、耐酸碱以及吸附容量大等优点而广泛地应用于选择性吸附、富集和分离水体中的痕量金属离子。与离子交换树脂相比，螯合树脂与金属离子的结合能力更强，选择性更高，另外它还具有合成简便、价格低廉、吸附量大、易洗涤、干扰少和稳定性好等特点。现有的文献报道基本上是以聚苯乙烯类、聚丙烯酸类、聚氯乙烯、甲壳质类和纤维素等为载体的螯合树脂的合成及对痕量元素进行富集分离的研究。其中，人工合成母体聚苯乙烯系树脂应用颇为广泛，在这类树脂的合成过程中，需要使用氯甲醚，且接枝配体是有氯化氢废物生成，这是原子不经济的反应，也是环境不友好的反应。以天然原料为母体的螯合树脂，来源广泛，价格低廉，易降解等优点也是近年来的开发新型螯合功能材料的研究热点之一，但是这类材料存在稳定性不高，机械强度差，吸附量偏低，不易再生等不足而使其应用受到限制。

聚丙烯腈(PAN)具有机械强度高、热稳定性好、价格低、易制备等特点，且大分子中含有氰基，可以和多种试剂作用，生成各种不同的官能团，从而可以制得螯合、酸性、碱性或两性的功能分离富集材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种工艺简单、成本低廉的聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料的制备方法，采用该方法制备而得的新型聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料对Hg(II)离子有较高的选择性吸附。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料的制备方法，包括以下步骤：

①、将聚丙烯腈微球加入至反应溶剂中，浸泡20~28小时，从而使聚丙烯腈微球溶胀；

②、在步骤①的所得物（即溶胀后的聚丙烯腈微球和剩余的反应溶剂）中加入作为配体的2-氨基-1,3,4-噻二唑(ATD)，作为催化剂的金属钠，在氮气保护下于130~150℃，以200~300 r/min的转速搅拌反应13~15小时；反应结束后，过滤，所得的滤饼为改性后的聚丙烯腈螯合树脂；

聚丙烯腈微球：2-氨基-1,3,4-噻二唑(ATD)：金属钠的重量比为1：6~7：2~3；

③、将改性后的聚丙烯腈螯合树脂用反应溶剂浸泡洗涤至洗涤液为无色，再依次用去离子水、乙醇、乙醚洗涤数次，然后用蒸馏水洗涤，接着依次进行碱洗、水洗、酸洗和水洗，40~60℃下干燥至恒重，得聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料。

作为本发明的聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料的制备方法的改进：步骤①和步骤③中的反应溶剂均为N，N-二甲基甲酰胺（DMF）。

本发明以聚丙烯腈微球（聚丙烯腈系共聚体）为母体，2-氨基-1,3,4-噻二唑（ATD)为配体，对聚丙烯腈微球（聚丙烯腈系共聚体）进行化学改性，从而得到新型聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料。

在本发明中：

聚丙烯腈微球（聚丙烯腈系共聚体）选用D－160型大孔吸附树脂，例如可购自中蓝晨光化工研究院。

在步骤①中，聚丙烯腈微球要求被完全浸没在反应溶剂中。例如，每500 mg聚丙烯腈微球配用300~500 mL的反应溶剂。

步骤③中的“依次进行碱洗、水洗、酸洗和水洗”为常规操作方式，即为：将前一步骤的所得物先进行碱洗（放入浓度为1mol/L的NaOH溶液中浸泡1~3小时）；然后水洗至洗涤液为中性；再进行酸洗（将水洗后的所得物放入浓度为1mol/L的HCl溶液中浸泡1~3小时）；然后水洗至洗涤液为中性。

本发明运用红外技术方法，对合成的新型的聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料进行结构鉴定，探讨反应路径及树脂结构。具体如下：

①取少量聚丙烯腈微球与KBr混合，研磨、压片，在NICOLET-380红外光谱仪上测定其红外光谱，光谱范围4000 cm^-1~400 cm^-1，分辨率为4 cm^-1，扫描次数为32次。

②按照上述步骤①中的方法分别测定新型聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料和配体2-氨基-1,3,4-噻二唑（ATD)的红外光谱。

③通过对聚丙烯腈微球、配体以及合成后新型聚丙烯腈螯合树脂的红外图谱的对比分析，推测出树脂合成反应的可能反应路径及树脂结构。

采用本发明方法制备而得的新型聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料，进行如下的实验：

一、重金属离子吸附实验：

吸附实验在恒温振荡器中进行，准确称取4份一定量（15.0 mg）的PAN-g-ATD（即本发明所得的聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料）至100ml的碘量瓶中，分别加入一定体积（26 ml,25 ml,24 ml, 23 ml）、一定pH值(pH值为6.5)的HAc-NaAc缓冲溶液浸泡24h，然后分别加入一定量（4 ml,5 ml, 6 ml,7ml）的配制好的重金属离子标准液，在搅拌下进行吸附操作。每隔一定时间测定分析水相中残余金属离子浓度，直至平衡。用下式计算吸附量(Q_e)及分配比(D)：

$Q_e=\frac{(C_o-C_e)V}{m}---\left(1\right)$

$D=\frac{Q_e}{C_e}---\left(2\right)$

式中Q_e为平衡时新型聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料（即PAN-g-ATD）的吸附量(mg·g^-1)；C_o和C_e分别为吸附试验溶液中金属离子的初始浓度(mg·mL^-1)和平衡浓度(mg·mL^-1)；m为新型聚丙烯腈螯合树脂质量(g)；V为液相体积(mL)，是指重金属离子标准液和缓冲溶液体积之和。

二、解吸实验

将吸附平衡后的新型聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料用去离子水反复洗涤多次，用滤纸吸干表面水分后加入一定量(30ml)的解吸剂。恒温振荡至平衡后测定溶液中重金属离子的浓度。吸附剂的解吸率E(%)按下式计算。

$E(\%)=\frac{\left(C_d{V}_d\right)}{(C_0-C_e)V}\×100\%---\left(3\right)$

式中C_d为解吸剂中金属离子的平衡浓度(mg·mL^-1)；V_d为所用的解吸液体积(mL)。C_o和C_e分别为水相中金属离子的初始浓度(mg·mL^-1)和平衡浓度(mg·mL^-1)；V为液相体积(mL)。

本发明相对于现有技术，有以下优点：

1、本发明以聚丙烯腈微球（PAN）为母体通过加成反应制备新型聚丙烯腈螯合树脂，较好地体现了绿色化学的特征：原料的原子利用率高（原料中的原子尽可能多地转化到产品中）；不向或少向环境中排放有毒有害的副产物，具有明显的经济效益和环境效益。

2、本发明利用化学接枝法将聚丙烯腈进行改性，使其具有机械强度高、热稳定性好等特点，且对金属离子具有很好的螯合作用。

3、本发明方法制得的聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料PAN-g-ATD对Hg(II)具有较强的选择吸附性能，吸附量大，吸附速度快，而对Ni(II)、Cu(II)、Zn(II)、Cd(II)、Pb(II)很少吸附或不吸附。

4、本发明制得的新型聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料化学稳定性好，容易洗脱（只需要少量HCl溶液就可以达到完全洗脱），具有更为优良的再生和重复使用性能，减少了二次污染。

5、本发明采用的新型聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料的制备方法简单，操作简便，产率高。

综上所述，本发明首次采用聚丙烯腈系共聚体为母体，把对重金属具有优良螯合性能的含氮、硫、氧等原子杂环有机配体2-氨基-1,3,4-噻二唑（ATD)连接到母体上，制备出一种新型聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料。在该种树脂的化学修饰过程中，聚丙烯腈与配体发生加成反应，原子经济性高，较好的体现了绿色化学的特征：原料的原子利用率高(原料中的原子尽可能多的转化到产品中去)；不向或少向环境中遗留副产物。同时以该法合成出的新型聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料较其他螯合树脂具有吸附容量大、富集选择性好、操作简便、树脂易再生等特点，有望在分析测试、环境保护、湿法冶金等方面得到广泛应用。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是PAN，ATD和PAN-g-ATD的红外光谱图；

图2是PAN-g-ATD树脂合成路线图；

图3是不同pH值下PAN-g-ATD对金属离子的吸附容量图；

图4是不同温度下PAN-g-ATD对Hg(II)的吸附速率曲线图；

图5是PAN-g-ATD对Hg(II)的穿透曲线图；

图6是PAN-g-ATD对Hg(II)的动态解吸曲线图；

图7是PAN-g-ATD吸附Hg(II)前后TGA分析曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描绘本发明，但本发明的内容并不限于此。

备注：以下实施例中的水洗均为用蒸馏水进行洗涤。

实施例1、一种聚丙烯晴螯合树脂金属吸附材料的制备方法，包括以下步骤：

1、以聚丙烯腈微球（D－160型大孔吸附树脂）为母体，2-氨基-1,3,4-噻二唑（ATD)为配体，对聚丙烯腈微球进行化学接枝，依次进行以下步骤：

①、称取500 mg聚丙烯腈微球，移入500 mL的三颈瓶中，加入300mL的反应溶剂--- N，N-二甲基甲酰胺（DMF）中，浸泡过夜（即浸泡24小时，从而使聚丙烯腈微球充分溶胀）；

②、在步骤①的所得物（即溶胀后的聚丙烯腈微球和剩余的DMF）中加入3.21g的配体---2-氨基-1,3,4-噻二唑（ATD)、及少许催化剂---金属钠（1040 mg），在氮气保护下于140℃，加热搅拌（250r/min的转速）反应14小时；反应结束后，过滤，得改性后的聚丙烯腈螯合树脂；

③、将步骤②）所得的改性后的聚丙烯腈螯合树脂用50ml的反应溶剂-- N，N-二甲基甲酰胺（DMF）浸泡3小时后，再用反应溶剂--DMF洗涤3-4次，直至洗涤液为无色；然后用去离子水、乙醇、乙醚依次洗涤（先用去离子水洗，离子水的用量为50ml/次，洗3次；然后用无水乙醇，无水乙醇的用量为50ml/次，洗3次；接着用乙醚洗，乙醚的用量为50ml/次，洗3次），然后用蒸馏水洗涤（50ml/次，洗3次）。再用50ml浓度为1mol/L的NaOH水溶液浸泡2小时，水洗至中性；再用50ml浓度为1mol/L的HCl溶液浸泡1小时，水洗至中性；最后在50℃下真空干燥至恒重；得新型聚丙烯腈螯合树脂吸附材料（即PAN-g-ATD）817mg。

运用红外技术方法，对上述合成的新型聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料进行结构鉴定，探讨其反应路径及树脂结构。

①取少量聚丙烯腈微球与KBr混合，研磨、压片，在NICOLET-380红外光谱仪上测定其红外光谱，光谱范围4000 cm^-1~400 cm^-1，分辨率为4 cm^-1，扫描次数为32次。

②按照上述步骤①中的方法分别测定新型聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料（即PAN-g-ATD）和配体2-氨基-1,3,4-噻二唑（ATD）的红外光谱。

③通过对聚丙烯腈微球、配体以及合成后新型聚丙烯腈螯合树脂的红外图谱（见图1）的对比分析，推测出树脂合成反应的反应路径及树脂结构（见图2）。

实验1：

准确称取每份为15.0 mg 的PAN-g-ATD 5份，置于100 mL碘量瓶中，分别对应加入25ml，pH=6.5、pH=5.5、pH=4.5、pH=3.5、pH=2.5的HAc-NaAc缓冲溶液浸泡24h后，再加入5mL，2mg/mL的重金属Hg (II)离子标液，25℃下置于恒温振荡器中，以100 rpm的转速恒温振摇，每隔一定时间测定分析水相中残余金属离子浓度，直至平衡。

按上述方法，能获得本发明的吸附材料对不同金属离子（分别为2mg/mL Ni(II)、2mg/mL Cu(II)、2mg/mL Zn(II)、2mg/mL Cd(II)、2mg/mL Pb(II)）的吸附容量，从而得出pH对改性后的聚丙烯腈螯合树脂吸材料各重金属离子性能的影响。所得结果如图3所示。

实验2：

准确称取每份为30.0 mg的PAN-g-ATD 3份，置于100 mL碘量瓶中，加入25ml最佳吸附pH值=6.5的HAc-NaAc缓冲溶液，浸泡24 h待树脂充分溶胀后，加入5mL， 2mg/mL的重金属Hg(II)离子标液，分别在288K、298 K和308 K下，置于恒温振荡中，以100 rpm的转速恒温振摇，每隔一定时间测定分析水相中残余金属离子浓度，直至吸附达到平衡。以重金属离子浓度(C_e)对时间(t)作图得到吸附速率曲线，所得结果如图4所示。

实验3：

准确称取每份为15.0 mg的PAN-g-ATD 5份，置于100 mL碘量瓶中，移入25 mL最佳吸附pH值=6.5的HAc-NaAc缓冲溶液，浸泡24 h待树脂充分溶胀后，移入5 mL，2mg/mL的重金属Hg(II)离子标液，在25℃下，置于恒温振荡中，以100 rpm的转速恒温振荡至吸附平衡，测定溶液中重金属离子的浓度(C_e)。将吸附平衡后的树脂滤出，用去离子水洗涤3-4次后，晾干，加入30 mL不同浓度的HCl溶液 (0.5mol/L，1mol/L，2mol/L，3mol/L，4mol/L) 25℃，100 rmp，恒温振荡至解吸平衡后再次测定溶液中重金属离子的浓度。按照公式（3）计算解吸率。结果得出用4mol·L^-1 HCl进行解吸时，解吸率为100%。

实验4：

准确称取100.0mg的PAN-g-ATD，用静态实验中吸附Hg(II)的最佳NaAc-HAc缓冲溶液（即pH=6.5缓冲液）浸泡24小时，待树脂充分溶胀后，装入Φ3 mm×300 mm玻璃层析柱中。加入2mg/mL的Hg(II)金属离子标准液，以0.10 mL/min的速度流过树脂柱，取25 mL比色管分段收集流出液，依次测定每管溶液中金属离子的浓度(C_i)，直至C_e=C₀。以C_e/C₀对流出液体积(V)作图，绘制动态吸附穿透曲线。计算动态吸附量。如图5所示。金属离子Hg(II)的动态饱和吸附量为459.5mg/g。

实验5：

当动态吸附实验的树脂柱吸附饱和后，用去离子水冲洗树脂柱数次，然后用静态解吸实验中得到的最佳解吸条件（即解吸剂为4mol/L的HCl溶液）以0.10 mL/min的速度流过树脂柱，用10mL比色管分段收集流出液，收集了五次，每次测得的Hg(II)浓度分别为2. 400mg/mL，1.380mg/mL，0.630mg/mL，0.012 mg/mL ，0.000 mg/mL。具体如图6所示。将解吸后的树脂柱再次用去离子水冲洗数次，再次用于金属离子吸附，每种树脂柱进行五次动态吸附—解吸循环过程，研究树脂重复使用性能。结果见表1。

表1、聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料PAN-g-ATD对Hg(II)的再生吸附量

由此可见，聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料PAN-g-ATD具有优良再生和重复使用性能。

实验6：

准确称取充分干燥后的吸附前的树脂（PAN-g-ATD）和实验1中在最佳NaAc-HAc缓冲溶液（即pH=6.5缓冲液）下吸附Hg (II)离子后的树脂（PAN-g-ATD-Hg）样品分别为10.0 mg，使用梅特勒TGA/DSC1型同步热分析仪进行热重分析。

分析条件：载气：氮气；载气流量：20 mL/min；升温程序：20 ℃/min，起止温度：50℃~1000℃。具体如图7所示。由此可知，PAN-g-ATD具有较好的热稳定性，树脂的操作温度可达400℃。

对比例1、

将实施例1步骤1）的步骤②中的配体改为2-氨基噻唑啉（ATAL）其余同实施例1。

所得的聚丙烯腈螯合树脂称为聚丙烯腈螯合树脂A、按照上述实验的方法用于金属离子的静态吸附和解析实验，其与实施例1所得的聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料PAN-g-ATD的对比数据如表2所示。

表2、  不同配体合成的聚丙烯腈螯合树脂对Hg(II)金属离子的静态饱和吸附量及解吸率

由此可知，在最佳pH=6.5时树脂A对Hg(II)离子的静态饱和吸附容量为214.1 mg/g，其吸附量远不如本发明的PAN-g-ATD的吸附容量。并且洗脱效果也不及PAN-g-ATD，说明了本发明合成的聚丙烯晴螯合树脂金属吸附材料（PAN-g-ATD）具有吸附容量大，再生性强等特点。

对比例2、

将实施例1步骤1（步骤②）的中140℃改成温度80℃，100℃，120℃，其余完全同实施例1的步骤1；从而探讨反应温度对合成树脂功能基转换率的影响。

一般情况下，当温度较高时，树脂的溶胀性增大，配体分子进入树脂内部的速度加快，与功能基反应的几率加大，有利于反应的进行。本发明所选择的溶剂DMF具有较高的沸点（152℃）。配体ATD的溶点为181℃。因此，综合考虑反应配体以及反应溶剂的熔沸点，在溶剂DMF中反应的PAN-g-ATD的合成探讨温度选择在80℃~140℃。实验结果表明，聚丙烯腈螯合树脂的功能基转化率随温度的升高而升高，故确定PAN-g-ATD聚丙烯腈螯合树脂的最佳合成温度为140℃。

对比例3、

将实施例1步骤1的步骤②中的配体---2-氨基-1,3,4-噻二唑（ATD)的用量分别改为3.00g，4.00g，其余同实施例1。

所得的聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料分别称为聚丙烯腈螯合树脂Ⅰ、聚丙烯腈螯合树脂Ⅱ，按照上述实验方法进行金属离子的静态吸附和解析实验，其与实施例1所得的聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料PAN-g-ATD的对比数据如表3所示。

表3、不同用量的配体合成的聚丙烯晴螯合树脂对Hg(II)金属离子的静态饱和吸附量及解吸率

对比例4、

将实施例1步骤1（步骤①、步骤③）中的反应溶剂分别改成：二甲亚砜(DMSO)、乙二醇(ED)，其余完全同实施例1的步骤1。

对上述所得的2种吸附材料以及实施例1所得的聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料PAN-g-ATD采用Vario EL III型元素分析仪测定树脂中S元素的含量，探讨不同溶剂对合成树脂功能基含量以及功能基转化率实验。结果如下表4所示：

表4、  反应溶剂对合成树脂功能基含量和功能基转化率的影响

由表4得知，2-氨基-1,3,4-噻二唑(ATD)的最佳反应溶剂为N，N-二甲基甲酰胺（DMF），其转化率达到了46.89%，而且DMF还具有水溶性，为树脂的洗涤等后处理带来方便，因而选择N，N-二甲基甲酰胺（DMF）为反应体系的反应溶剂。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：

①、将聚丙烯腈微球加入至反应溶剂中，浸泡20~28小时，从而使聚丙烯腈微球溶胀；

②、在步骤①的所得物中加入作为配体的2-氨基-1,3,4-噻二唑，作为催化剂的金属钠，在氮气保护下于130~150℃，以200~300 r/min的转速搅拌反应13~15小时；反应结束后，过滤，得改性后的聚丙烯腈螯合树脂；

所述聚丙烯腈微球：2-氨基-1,3,4-噻二唑：金属钠的重量比为1：6~7：2~3；

③、将改性后的聚丙烯腈螯合树脂用反应溶剂浸泡洗涤至洗涤液为无色，再依次用去离子水、乙醇、乙醚洗涤数次，然后用蒸馏水洗涤，接着依次进行碱洗、水洗、酸洗和水洗，40~60℃下干燥至恒重，得聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料。

2.根据权利要求1所述的聚丙烯腈螯合树脂金属吸附材料的制备方法，其特征是：所述步骤①和步骤③中的反应溶剂均为N，N-二甲基甲酰胺。

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