CN103102453A - 一种吸附重金属离子的聚合物水凝胶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种吸附重金属离子的聚合物水凝胶，其主要是：该水凝胶是由可溶性淀粉、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵三种单体通过水溶液聚合法共聚合成的不溶于水但在水中高度溶胀的三维网状高分子聚合物；其制备方法是：在氮气气氛下，将可溶性淀粉和蒸馏水混合，在75～90℃温度内糊化；在冰水浴中向糊化的产物中分别加入N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和用NaOH粉末中和至pH值为3～6的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，搅拌均匀；向上述产物中加入引发剂过硫酸铵，然后加热将温度控制在70～90℃，氮气气氛反应30～150min，即聚合生成水凝胶。本发明方法简单、成本低，产品对重金属具有良好的吸附能力。

Description

一种吸附重金属离子的聚合物水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种吸附材料，特别是吸附重金属的高分子聚合物水凝胶及其制备方法
背景技术
近年来，随着人们对金属矿产品需求量的不断增大，所引发的环境问题日趋严重，对人类的身体健康也产生了很大的威胁。因此，有效处理重金属废水是现在亟待解决的问题。目前，处理重金属废水最广泛的方法是化学沉淀处置技术，这种技术工艺简单，但存在出水金属浓度偏高，易产生二次污染，废水回用困难等缺点。而吸附法由于处理流程简单，也被广泛应用于重金属废水处理中。吸附剂主要有活性炭、沸石、离子树脂和螯合树脂（如公开号为CN1772386的一种螯合树脂）等，但普遍存在吸附容量低、吸附速率慢的缺点。而有关水凝胶作为吸附剂的研究还相对较少且吸附重金属能力不强。水凝胶是不溶于水但在水中高度溶胀的具有网状交联结构的聚合物。它具有低交联度、高溶胀率的结构和性能特点。水凝胶中存在着大量的功能基团，使其作为一类新型吸附材料对重金属的吸附具有较好的作用。目前，人工合成的高分子聚合物水凝胶包括聚丙烯酸类水凝胶等，它拥有羧基等可结合重金属的有效基团，对重金属的吸附起到了一定的作用。但现有的高分子聚合物水凝胶普遍存在生产成本高且生产工艺复杂，难以工业化，吸附效果不显著等诸多缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生产工艺简单、成本低并对重金属具有良好吸附能力的聚合物水凝胶及其制备方法
本发明的技术方案为：
本发明所述水凝胶是由可溶性淀粉、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵三种单体共聚而成的不溶于水但在水中高度溶胀的三维网状高分子聚合物，它具有高溶胀率、高吸水性及良好的保水性能，同时也具有一般高分子化合物的基本特征。其中，可溶性淀粉为大米淀粉、玉米淀粉及马铃薯淀粉中的一种。
本发明的聚合物水凝胶的制备方法主要包括以下步骤：
(1) 在氮气气氛下，按质量计份，将1.5～2.5份可溶性淀粉和80～120份蒸馏水混合均匀，在75～90℃温度内糊化；
(2) 向2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸中加入NaOH粉末，将其pH值调节为3～6，在冰水浴中向步骤(1)获得的产物中加入N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和已调节pH值的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，将其混合均匀，搅拌。按质量份计，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的份数分别为0.1～0.3份、2～6份和12～15份，搅拌均匀； 
(3) 向步骤(2)获得的产物中加入引发剂过硫酸铵0.1～0.4份；
(4) 然后加热将温度控制在70～90℃，氮气气氛反应30～150min，即聚合生成水凝胶。
本发明制备的聚合物水凝胶在吸附重金属离子中的应用步骤如下：
Figure 2013100089735100002DEST_PATH_IMAGE001
将制备好的聚合物水凝胶切割成体积约为1立方厘米的块状；
Figure 680798DEST_PATH_IMAGE002
将切成小块的聚合物水凝胶用去离子水多次洗涤；
Figure 2013100089735100002DEST_PATH_IMAGE003
在25℃条件下对Cu2+和Fe3+两种重金属离子进行吸附。
本发明与现有技术相比其具有如下优点：
1、本发明的产品为具有功能性基团的有机高分子聚合物，并且该聚合物中的功能基团能有效吸附螯合重金属离子。特别是对铜和铁两种重金属吸附作用非常明显。
2、本发明的制备方法简单、易于操作、生产成本低，可工业化生产。
附图说明
图1为本发明水凝胶的SEM图。
具体实施方式
本发明通过实施例进行进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
实施例1：
 在氮气气氛下，按质量计份，将2份可溶性大米淀粉和100份蒸馏水混合均匀，在80℃温度内糊化。而后加入N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和用NaOH粉末中和至pH值为4的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，混合均匀，搅拌。按质量份计，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的份数分别为0.16份、4.5份和13.5份。搅拌均匀，加入引发剂过硫酸铵0.2份。然后加热将温度控制在70℃，氮气气氛反应100min，聚合生成聚合物水凝胶。
将上面获得的聚合物水凝胶切成体积约为1立方厘米的小块并进行多次洗涤后，在60℃温度下烘干；使用SEM对产物表面结构进行表征。从图1所示的本发明水凝胶SEM图上可以看出，产物具有较好的孔状结构和较大的比表面积。
实施例2：
在氮气气氛下，按质量计份，将1.5份可溶性玉米淀粉和120份蒸馏水混合均匀，在90℃温度内糊化。而后加入N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和用NaOH粉末中和至pH值为6的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，混合均匀，搅拌。按质量份计，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的份数分别为0.1份、6份和12份。搅拌均匀，加入引发剂过硫酸铵0.3份。然后加热将温度控制在90℃，氮气气氛反应30min，聚合生成聚合物水凝胶。
将上面获得的聚合物水凝胶切成体积约为1立方厘米小块并进行多次洗涤后，在60℃温度下烘干； 称取聚合物水凝胶0.1g干燥后的产物两份分别置于100mL锥形瓶中，然后分别加入50mL 1g/L的Cu2+和2g/L的Fe3+两种单一溶液，将锥形瓶置于恒温振荡器中25℃下进行恒温吸附，3min即可充分吸附，分别测定两种金属离子溶液吸附前与吸附后的浓度。测量方法为稀释后使用原子吸收法。通过吸附前后离子的浓度差，可以计算该产物对Cu2+和Fe3+的吸附容量为90mg/g和130mg/g。
实施例3：
 在氮气气氛下，按质量计份，将2.5份可溶性马铃薯淀粉和80份蒸馏水混合均匀，在75℃温度内糊化。而后加入N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和用NaOH粉末中和至pH值为3的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，混合均匀，搅拌。按质量份计，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的份数分别为0.3份、2份和15份。搅拌均匀，加入引发剂过硫酸铵0.1份。然后加热将温度控制在80℃，氮气气氛反应150min，聚合生成聚合物水凝胶。
将上面获得的聚合物水凝胶切成体积约为1立方厘米小块并进行多次洗涤后，在60℃温度下烘干；称取聚合物水凝胶0.1g干燥后的产物两份分别置于100mL锥形瓶中，然后分别加入50mL 1g/L的Cu2+和1g/L的Fe3+两种单一溶液，将锥形瓶置于恒温振荡器中25℃下进行恒温吸附，3min即可充分吸附，分别测定两种金属离子溶液吸附前与吸附后的浓度。测量方法为稀释后使用原子吸收法。通过吸附前后离子的浓度差，可以计算该产物对Cu2+和Fe3+的吸附容量为90mg/g和110mg/g。
实施例4：
在氮气气氛下，按质量计份，将2份可溶性大米淀粉和120份蒸馏水混合均匀，在80℃温度内糊化。而后加入N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和用NaOH粉末中和至pH值为6的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，混合均匀，搅拌。按质量份计，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的份数分别为0.16份、6份和13.5份。搅拌均匀，加入引发剂过硫酸铵0.4份。然后加热将温度控制在70℃，氮气气氛反应100min，聚合生成聚合物水凝胶。
将上面获得的聚合物水凝胶切成体积约为1立方厘米小块并进行多次洗涤后，在60℃温度下烘干；称取聚合物水凝胶0.1g干燥后的产物两份分别置于100mL锥形瓶中，然后分别加入50mL 2g/L的Cu2+和1g/L的Fe3+两种单一溶液，将锥形瓶置于恒温振荡器中25℃下进行恒温吸附，3min即可充分吸附，分别测定两种金属离子溶液吸附前与吸附后的浓度。测量方法为稀释后使用原子吸收法。通过吸附前后离子的浓度差，可以计算该产物对Cu2+和Fe3+的吸附容量为100mg/g和110mg/g。
实施例5：
在氮气气氛下，按质量计份，将1.5份可溶性马铃薯淀粉和100份蒸馏水混合均匀，在90℃温度内糊化。而后加入N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和用NaOH粉末中和至pH值为4的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，混合均匀，搅拌。按质量份计，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的份数分别为0.1份、4.5份和12份。搅拌均匀，加入引发剂过硫酸铵0.2份。然后加热将温度控制在90℃，氮气气氛反应30min，聚合生成聚合物水凝胶。
将上面获得的聚合物水凝胶切成体积约为1立方厘米小块并进行多次洗涤后，在60℃温度下烘干；称取聚合物水凝胶0.1g干燥后的产物两份分别置于100mL锥形瓶中，然后分别加入50mL 2g/L的Cu2+和2g/L的Fe3+两种单一溶液，将锥形瓶置于恒温振荡器中25℃下进行恒温吸附，3min即可充分吸附，分别测定两种金属离子溶液吸附前与吸附后的浓度。测量方法为稀释后使用原子吸收法。通过吸附前后离子的浓度差，可以计算该产物对Cu2+和Fe3+的吸附容量为100mg/g和130mg/g。

Claims (4)

1.一种吸附重金属离子的聚合物水凝胶，其特征是：该水凝胶是由可溶性淀粉、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵三种单体通过水溶液聚合法共聚合成的不溶于水但在水中高度溶胀的三维网状高分子聚合物。
2.权利要求1的吸附重金属离子的聚合物水凝胶的制备方法，其特征是：
(1) 在氮气气氛下，按质量计份，将1.5～2.5份可溶性淀粉和80～120份蒸馏水混合均匀，在75～90℃温度内糊化；
(2) 在冰水浴中向步骤(1)获得的产物中分别加入N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和用NaOH粉末中和至pH值为3～6的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，将其混合均匀，搅拌，按质量份计，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的份数分别为0.1～0.3份、2～6份和12～15份，搅拌均匀；
(3) 向步骤(2)获得的产物中加入引发剂过硫酸铵0.1～0.4份；
(4) 然后加热将温度控制在70～90℃，氮气气氛反应30～150min，即聚合生成水凝胶。
3.根据权利要求2所述的吸附重金属离子的聚合物水凝胶的制备方法，其特征是：所述可溶性淀粉为大米淀粉、玉米淀粉、马铃薯淀粉中的一种。
4. 权利要求1所述的吸附重金属离子的聚合物水凝胶在吸附重金属离子的应用。
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