CN104086688B - 细乳液聚合制备核壳酵母/苯乙烯分子印迹聚合物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及细乳液聚合制备核壳酵母/苯乙烯分子印迹聚合物的方法，属于环境功能材料制备技术领域。特指以甲基丙烯酸和苯乙烯为单体，以2,4‑二氯苯酚（2,4‑DCP）为模板分子，以二乙烯基苯为交联剂，以十二烷基硫酸钠为乳化剂，以过硫酸钾为引发剂，引入酵母作为模板，采用细乳液聚合的方法制备生成核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物（MIPs）。分子印迹聚合物可对目标污染物2,4‑二氯苯酚实现高选择性吸附。吸附剂应用于在水环境中选择性吸附2,4‑二氯苯酚。静态吸附实验用来研究吸附剂的吸附平衡和热力学性能。结果表明利用本发明获得的核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物具有较好的选择性吸附能力。

Description

细乳液聚合制备核壳酵母/苯乙烯分子印迹聚合物的方法

技术领域

本发明属于环境功能材料制备技术领域，涉及一种通过细乳液聚合制备核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物的方法，并应用于选择性吸附分离水环境中的氯酚类污染物。

背景技术

随着工业技术，尤其是有机合成工业如农药、石油化工、燃料、塑料、医药等的迅速发展，有机化合物的产量和种类与日俱增，其对水环境的污染范围和程度也日益严重。它们大多是人工合成化学品，不易被自然微生物降解，容易在环境中累积，其中有些还具有对生物和人类的毒害作用，甚至可能产生致癌、致畸、致突变效应，构成了对人类健康以及自然生态系统的严重威胁。氯酚类有机物可由酚类化合物直接氯化或氯苯水解而来，是一类典型的难降解有机污染物。由于氯酚类有机物具有广谱的抗、杀菌和杀虫功效而被作为杀虫剂、消毒剂和防腐剂广泛使用，主要用于木材、蔬菜、皮革、涂料等的防腐剂及消毒剂，同时，还有许多工业合成的中间产物或作为农药，杀菌剂，杀真菌剂，制药业等原材料使用。例如2,4-二氯苯酚和4-氯酚既是木材防腐剂又是5-氯酚和其它杀虫剂的生产原料；五氯酚钠曾被作为防治血吸虫病的灭钉螺药而大量使用，这均造成了对环境和水体的严重污染，因此，从水溶液中有效地去除氯酚是环境保护领域的一个重要课题。

各种水处理技术已被广泛应用于治理水环境中的氯酚类污染物，例如萃取法，吸附法，膜分离技术，氧化法，生物降解法，高级氧化法等。其中，吸附技术是一种既经济又行之有效的方法。目前，高分子吸附剂由于其良好的物理化学稳定性、卓越的吸附容量和可再生特性已经引起了越来越多的关注。然而，这种高分子吸附剂的选择性能较差，不具备专一识别能力，因此，实现高选择性吸附是吸附剂生产过程中的难点问题之一。

最近，分子印迹技术得到了大家的广泛关注。分子印迹聚合物中含有很多特定形状和大小的孔穴，孔穴内具有特定排列的结合位点，并对模板分子的结构具有一定的记忆和识别功能。分子印迹聚合物可对目标污染物实现高选择性吸附。制备分子印迹聚合物的方法有很多种，包括本体聚合，悬浮聚合，沉淀聚合，细乳液聚合和分散聚合等，其中细乳液聚合是制备分子印迹聚合物的常用方法。细乳液聚合是在亚微米单体液滴中引发成核，细乳液聚合方法合操作简单，并且获得的产物纯度也非常高。通过细乳液聚合制备的分子印迹聚合物具有较高的比表面积，卓越的吸附性能，可用于在水环境中选择性吸附分离氯酚类污染物。

发明内容

本发明的技术方案是指以细乳液方法制备核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物，引入酵母作为模板，并以甲基丙烯酸和苯乙烯为单体，以2,4-二氯苯酚（2,4 -DCP）为模板分子，以二乙烯基苯为交联剂，以十二烷基硫酸钠为乳化剂，以过硫酸钾为引发剂，采用细乳液聚合的方法制备生成核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物（MIPs），并应用于在水环境中选择性吸附分离2,4-二氯苯酚。

技术方案

细乳液聚合制备核壳酵母/苯乙烯分子印迹聚合物的方法，按以下步骤进行：

（1）制备油相

将苯乙烯、二乙烯基苯、甲基丙烯酸和2,4-二氯苯酚混合形成油相，其中控制苯乙烯，二乙烯基苯，甲基丙烯酸和2,4-二氯苯酚的比例为(0.6-0.8)：(0.4-0.5)：(0.35-0.45)：(0.16-0.2) (mL/mL/mL/g)，将该油相在超声条件(功率200W)下混合20-30 min。

（2）制备水相

将十二烷基硫酸钠溶解在去离子水中形成水相，其中控制十二烷基硫酸钠与水的比例为(0.1-0.15)：(50-60) (g/mL)。

（3）酵母的表面改性

将3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)，乙醇，水和酵母菌(Yeast)混合，其中控制KH570，乙醇，水和醇母菌的比例为 (5-7)：(40-50)：(10-15)：(1-1.2) (mL/mL/mL/g)，将混合液移入带有搅拌棒的单口烧瓶中搅拌6-12 h，温度控制在60℃，反应结束后，将混合液用甲醇和水的混合溶液清洗3-5次，其中控制甲醇和水的体积比为1：1，将获得的表面改性后的酵母菌在真空30℃环境中干燥24 h。

（4）细乳液聚合制备核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物

将步骤(1)中的油相与步骤(2)中的水相混合形成混合溶液A，其中控制油相与水相的体积比为(1.51-1.95)：(50-60)。在冰水溶保护的条件下，在细胞粉碎超声仪上超声细乳化17-20 min，细胞粉碎超声仪的工作条件为（450W，超声2秒，间隙3秒）。然后将步骤（3）中获得的表面改性后的酵母与混合溶液A混合，其中控制表面改性后的酵母与混合溶液A的比例为（1-1.2）：（51.51-61.95）（g/mL）,在超声条件下，溶解20-30 min，再将所得的细乳液转入带有搅拌棒，冷凝管和通氮气装置的三口烧瓶中，控制搅拌速度为600 rpm/min，室温条件下先搅拌2 h，使其充分溶胀后，升温至70℃，加入过硫酸钾(KPS)，其中控制过硫酸钾与混合溶液A的比例为（0.03-0.04）：（51.51-61.95）（g/mL），反应时间为20-24h，最终获得核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物。

（5）洗脱模板分子

将获得的核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物用乙醇和水的混合溶液清洗3-5次，其中乙醇和水的体积比为1：1，再用醋酸和甲醇配制洗脱剂，其中醋酸：甲醇的体积比为10：90，然后将制备获得的核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物在索氏提取器中清洗10-14天，再用去离子水洗至中性。

特别注意的是，核壳式酵母/苯乙烯非印迹聚合物（MNIPs）的制备方法与上述核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物的制备方法相同，只是在步骤（1）的油相中不添加模板分子2,4-二氯苯酚，并且不存在步骤（5）。

上述的技术方案中所采用的聚合方法为细乳液聚合。

上述的技术方案中所述的酵母，其作用为模板。

上述的技术方案中所述的2,4-二氯苯酚，其作用为模板分子。

上述的技术方案中所述的甲基丙烯酸，其作用为单体。

上述的技术方案中所述的苯乙烯，其作用为单体。

上述的技术方案中所述的过硫酸钾，其作用为引发剂。

上述的技术方案中所述的二乙烯基苯，其作用为交联剂。

上述的技术方案中所述的十二烷基硫酸钠，其作用为乳化剂。

本发明的技术优点：该产品是核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物，通过细乳液聚合制备获得，其中酵母作为模板，通过细乳液聚合形成了大量的亚微米级的分子印迹聚合物分布在酵母表面，并且在这些分子印迹聚合物表面含有多个模板分子留下的特定形状和大小的孔穴，孔穴内具有特定排列的结合位点，分子印迹聚合物可对目标污染物实现高选择性吸附。该聚合物用作吸附剂，具有较强的选择性吸附性能和热稳定性能。

附图说明

图1为纯酵母和实施例1中制备的核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物的扫描电镜图，其中a图为纯酵母，从图中可以看出，酵母呈现椭圆形，表面光滑，大小为3-4 μm，b图为以酵母为模板，通过细乳液聚合制备的核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物的形貌，从图中可以看出，在酵母表面分布着大量的亚微米级别的聚合物，这些聚合物的表面呈现了大量的模板分子留下的具有特定形状和大小的孔穴，这些孔穴可以实现对目标污染物的高选择性吸附。

图2为实施例2的红外光谱图，对比了纯酵母(a)，KH570修饰后的酵母(b)，核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物(c)和非印迹聚合物(d)的红外光谱图。从图2(b)中可以看出，在KH570修饰后的酵母中，在1716 cm^-1处出现的峰为KH570的C=O键，在图2（c）和图2（d）1732和2856 cm^-1处出现的峰为甲基丙烯酸中的C=O和CH₂的伸缩振动峰，在图2（c）和图2（d）中3029和3090 cm^-1处出现的峰对应为聚合物苯环上的C-H结合的伸缩振动峰。

具体实施方式

上述技术方案中所述的吸附性能分析测试方法具体为：

（1）静态吸附试验

将装有10 mL不同浓度的2,4-二氯苯酚溶液加入到比色管中，分别加入10 mg核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物和非印迹聚合物，放在不同温度的恒温水浴中静置12 h，考察测试溶液中2,4-二氯苯酚的初始浓度和反应温度对吸附剂吸附性能的影响；饱和吸附后，吸附剂经过高速离心进行收集，未吸附的2,4-二氯苯酚的浓度用紫外光谱分析，并根据结果计算出吸附容量(Q _e，mg/g)：

其中C ₀ (mg/L) 和C _e (mg/L)分别是吸附前后2,4-二氯苯酚的浓度，W (g)为吸附剂用量，V (mL)为测试液体积。

本发明中使用的酵母菌可以为市场上能买到的所有商品化产品。

下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。

实施例1：

1、利用细乳液聚合制备核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物的方法，其制备方法按照下述步骤进行：

（1）制备油相

将苯乙烯、二乙烯基苯、甲基丙烯酸和2,4-二氯苯酚混合形成油相，其中控制苯乙烯，二乙烯基苯，甲基丙烯酸和2,4-二氯苯酚的比例为0.6： 0.4： 0.35：0.16 (mL/mL/mL/g)。将该油相在超声条件(功率200W)下混合20-30 min。

（2）制备水相

将十二烷基硫酸钠溶解在去离子水中形成水相，基中控制十二烷基硫酸钠与水的比例为0.1：50 (g/mL)。

（3）酵母的表面改性

将3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)，乙醇，水和酵母菌(Yeast)混合，其中控制KH570，乙醇，水和醇母菌的比例为 5：40：10：1 (mL/mL/mL/g)，将混合液移入带有搅拌棒的单口烧瓶中搅拌6 h，温度控制在60℃，反应结束后，将混合液用乙醇和水的混合溶液清洗3次，其中控制乙醇和水的比例为1：1 (V：V)，将获得的表面改性后的酵母菌在真空30℃环境中干燥24 h。

（4）细乳液聚合制备核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物

将步骤(1)中的油相与步骤(2)中的水相混合，其中控制油相与水相的比例为1.51：50 (mL/mL)。在冰水溶保护的条件下，在细胞粉碎超声仪上超声细乳化17 min，细胞粉碎超声仪的工作条件为（450W，超声2秒，间隙3秒）。然后将步骤（3）中获得的表面改性后的酵母与混合溶液A混合，其中控制表面改性后的酵母与混合溶液A的比例为（1：51.51）（g/mL），在超声条件下，溶解20 min，再将所得的细乳液转入带有搅拌棒，冷凝管和通氮气装置的三口烧瓶中，控制搅拌速度为600 rpm/min，室温条件下先搅拌2 h，使其充分溶胀后，升温至70℃，加入过硫酸钾(KPS)，其中控制过硫酸钾与混合溶液A的比例为（0.03：51.51）（g/mL）反应时间为20 h，最终获得核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物。

（5）洗脱模板分子

将获得的核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物用甲醇和水的混合溶液清洗3次，其中甲醇和水的比例为1：1 （V：V），再用醋酸和甲醇配制洗脱剂，其中醋酸：甲醇的比例为10：90 （V/V），然后将制备获得的核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物在索氏提取器中清洗10天，再用去离子水洗至中性。

特别注意的是，核壳式酵母/苯乙烯非印迹聚合物（MNIPs）的制备方法与上述核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物的制备方法相同，只是在步骤（1）的油相中不添加模板分子2,4-二氯苯酚，并且不存在步骤（5）。

图1为实施例1中纯酵母和制备完成的核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物的扫描电镜图。

2、吸附性能分析测试：

（1）静态吸附试验

将装有10 mL不同浓度的2,4-二氯苯酚溶液加入到比色管中，浓度分别为10，30，50，80，100，150，200，300和400 mg/L，在比色管中分别加入10 mg核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物和非印迹聚合物，放在25℃恒温水浴中静置12h，考察测试溶液中2,4-二氯苯酚的初始浓度对聚合物吸附性能的影响；饱和吸附后，吸附剂经过高速离心进行收集，未吸附的2,4-二氯苯酚的浓度用紫外光谱分析，根据公式计算结果。

结果显示：核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物在25℃时对2,4-二氯苯酚的饱和吸附容量明显高于非印迹聚合物。

实施例2：

利用细乳液聚合制备核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物的方法，其制备方法按照下述步骤进行：

（1）制备油相

将苯乙烯、二乙烯基苯、甲基丙烯酸和2,4-二氯苯酚混合形成油相，其中控制苯乙烯，二乙烯基苯，甲基丙烯酸和2,4-二氯苯酚的比例为0.8：0.5：0.45：0.2 (mL/mL/mL/g)。将该油相在超声条件(功率200W)下混合20-30 min。

（2）制备水相

将十二烷基硫酸钠溶解在去离子水中形成水相，基中控制十二烷基硫酸钠与水的比例为0.15：60 (g/mL)。

（3）酵母的表面改性

将3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)，乙醇，水和酵母菌(Yeast)混合，其中控制KH570，乙醇，水和醇母菌的比例为 7：50：15：1.2 (mL/mL/mL/g)，将混合液移入带有搅拌棒的单口烧瓶中搅拌12 h，温度控制在60℃，反应结束后，将混合液用乙醇和水的混合溶液清洗5次，其中控制乙醇和水的比例为1：1 (V：V)，将获得的表面改性后的酵母菌在真空30℃环境中干燥24 h。

（4）细乳液聚合制备核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物

将步骤(1)中的油相与步骤(2)中的水相混合，其中控制油相与水相的比例为1.95： 60 (mL/mL)。在冰水溶保护的条件下，在细胞粉碎超声仪上超声细乳化20 min，细胞粉碎超声仪的工作条件为（450W，超声2秒，间隙3秒）。然后将步骤（3）中获得的表面改性后的酵母与混合溶液A混合，其中控制表面改性后的酵母与混合溶液A的比例为（1.2：61.95）（g/mL），在超声条件下，溶解30 min，再将所得的细乳液转入带有搅拌棒，冷凝管和通氮气装置的三口烧瓶中，控制搅拌速度为600 rpm/min，室温条件下先搅拌2 h，使其充分溶胀后，升温至70℃，加入过硫酸钾(KPS)，其中控制过硫酸钾与混合溶液A的比例为（0.04：61.95）（g/mL），反应时间为24 h，最终获得核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物。

（5）洗脱模板分子

将获得的核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物用甲醇和水的混合溶液清洗5次，其中甲醇和水的比例为1：1 （V：V），再用醋酸和甲醇配制洗脱剂，其中醋酸：甲醇的比例为10：90 （V/V），然后将制备获得的核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物在索氏提取器中清洗14天，再用去离子水洗至中性。

特别注意的是，核壳式酵母/苯乙烯非印迹聚合物（MNIPs）的制备方法与上述核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物的制备方法相同，只是在步骤（1）的油相中不添加模板分子2,4-二氯苯酚，并且不存在步骤（5）。

图2为实施例2中制备的纯酵母，KH570修饰后的酵母，核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物和非印迹聚合物的红外光谱图。

2、吸附性能分析测试：

（1）静态吸附试验1

将10 mL浓度为100 mg/L的2,4-二氯苯酚溶液加入到比色管中，分别加入10 mg核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物和非印迹聚合物，分别在15℃，25℃和35℃恒温水浴中静置12 h，考察不同反应温度对聚合物吸附性能的影响；饱和吸附后，吸附剂经过高速离心进行收集，未吸附的2,4-二氯苯酚的浓度用紫外光谱分析，根据公式计算结果。结果代入吉布斯自由能公式进行计算。

结果显示：通过吉布斯自由能公式，求得ΔHº的值为0.0049，ΔSº的值为0.037，三个不同温度下对应的ΔG分别为-4.154，-5.694和-6.574。ΔHº>0说明吸附过程是吸热的，ΔG <0表明吸附剂对2,4-二氯苯酚的吸附是自发的。

（2）静态吸附试验2

将10 mL浓度为150 mg/L的2,4-二氯苯酚溶液加入到比色管中，分别加入10 mg磁性分子印迹聚合物和磁性非印迹聚合物，分别在15℃，25℃和35℃恒温水浴中静置12 h，考察不同反应温度对聚合物吸附性能的影响；饱和吸附后，吸附剂经过高速离心进行收集，未吸附的2,4-二氯苯酚的浓度用紫外光谱分析，根据公式计算结果。结果代入吉布斯自由能公式进行计算。

结果显示：通过吉布斯自由能公式，求得ΔHº的值为0.0057，ΔSº的值为0.035，三个不同温度下对应的ΔG分别为-6.357，-7.429和-7.251。ΔHº>0说明吸附过程是吸热的，ΔG<0表明吸附剂对2,4-二氯苯酚的吸附是自发的。

Claims (1)

1.细乳液聚合制备核壳酵母/苯乙烯分子印迹聚合物的方法，其特征在于按以下步骤进行：

（1）制备油相

将苯乙烯、二乙烯基苯、甲基丙烯酸和2,4-二氯苯酚混合形成油相，其中控制苯乙烯，二乙烯基苯，甲基丙烯酸和2,4-二氯苯酚的比例为(0.6-0.8)：(0.4-0.5)：(0.35-0.45)：(0.16-0.2) (mL/mL/mL/g)，将该油相在超声功率为200W的条件下混合20-30 min；

（2）制备水相

将十二烷基硫酸钠溶解在去离子水中形成水相，其中控制十二烷基硫酸钠与水的比例为(0.1-0.15)：(50-60) (g/mL)；

（3）酵母的表面改性

将3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)，乙醇，水和酵母菌(Yeast)混合，其中控制KH570，乙醇，水和醇母菌的比例为 (5-7)：(40-50)：(10-15)：(1-1.2) (mL/mL/mL/g)，将混合液移入带有搅拌棒的单口烧瓶中搅拌6-12 h，温度控制在60℃，反应结束后，将混合液用甲醇和水的混合溶液清洗3-5次，其中控制甲醇和水的体积比为1：1，将获得的表面改性后的酵母菌在真空30℃环境中干燥24 h；

（4）细乳液聚合制备核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物

将步骤(1)中的油相与步骤(2)中的水相混合形成混合溶液A，其中控制油相与水相的体积比为(1.51-1.95)：(50-60)；在冰水浴保护的条件下，在细胞粉碎超声仪上超声细乳化17-20 min，细胞粉碎超声仪的工作条件为：超声功率为450W，超声2秒，间隙3秒；然后将步骤（3）中获得的表面改性后的酵母与混合溶液A混合，其中控制表面改性后的酵母与混合溶液A的比例为（1-1.2）：（51.51-61.95）（g/mL）,在超声条件下，溶解20-30 min，再将所得的细乳液转入带有搅拌棒，冷凝管和通氮气装置的三口烧瓶中，控制搅拌速度为600 rpm，室温条件下先搅拌2 h，使其充分溶胀后，升温至70℃，加入过硫酸钾(KPS)，其中控制过硫酸钾与混合溶液A的比例为（0.03-0.04）：（51.51-61.95）（g/mL），反应时间为20-24 h，最终获得核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物；

（5）洗脱模板分子

将获得的核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物用乙醇和水的混合溶液清洗3-5次，其中乙醇和水的体积比为1：1，再用醋酸和甲醇配制洗脱剂，其中醋酸：甲醇的体积比为10：90，然后将制备获得的核壳式酵母/苯乙烯分子印迹聚合物在索氏提取器中清洗10-14天，再用去离子水洗至中性。