CN104525135A - 一种双凝胶吸附剂及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明主要公开了一种双凝胶吸附剂及其制作方法,其所需要的材料有:明胶(分析纯)、双氧水(分析纯)、盐酸(分析纯)、氢氧化钠(分析纯)、氢氧化钙(分析纯)、磷酸(分析纯)、玉米淀粉(分析纯)。其所需要的仪器有:98HW-1型恒温搅拌器、JSM26460扫描电子显微镜、JM-1200GX型透射电镜、X/max2000PC型X射线衍射仪、ASAP2020系列全自动快速比表面积及中孔/微孔分析仪。其制作步骤:(1)制备氧化淀粉、(2)制备氧化淀粉/明胶、(3)制备羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶、(4)分析羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶结构。本发明的羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶杂化干凝胶束有均匀的非晶性结构,疏松多孔,有一定的比表面积和孔径,可以吸附废水中的金属离子和活性染料,是一种多功能杂化吸附材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种吸附剂的配方及其制作方法,具体涉及一种双凝胶吸附剂及其制作方法。
技术背景
明胶是胶原蛋白部分水解而得到的蛋白质,易凝胶化,具有较好的生物相容性和生物可降解性,由于来源广泛,成本低廉,在食品、医药等领域具有广泛的应用。明胶是一种典型的热可逆水凝胶-在65℃-70℃热水中溶解,当溶液温度低于35℃时凝固成胶,其溶胶-凝胶化过程可逆。明胶分子结构上含有大量的羟基、羧基和氨基,因此既具有酸性基团,又具有碱性基团。明胶基制备的水凝胶可以吸附废水中的金属离子和活性染料,但明胶具有极强的亲水性,快速的水溶性,形成的水凝胶太软,在用于废水处理时无法承受外界作用力,是其应用受限的主要原因。为进一步提高明胶基质的性能,可利用甲醛、戊二醛等交联剂与明胶进行交联增强其硬度再与羟基磷灰石共混,并通过对交联度的控制来控制明胶水凝胶的溶胀度。而甲醛、戊二醛的生物毒性限制其作为交联剂的应用。研究者们将交联剂转向天然有机交联剂-玉米淀粉,但玉米淀粉因为含有的羰基含量有限,与明胶形成的交联结构不稳定。课题组将玉米淀改性为同时含有羧基和醛基的双氧化淀粉,含有的醛基可以与明胶的氨基反应形成稳定的希夫碱(Schiffs base),同时与具有多孔结构的羟基磷灰石自组装形成结构稳定的生物杂化干凝胶束,可以吸附金属离子,同时可以吸附染料离子。实验设计明胶与氧化淀粉形成稳定的交联结构,无机羟基磷灰石材料以自组装方式嵌入交联结构,形成结构稳定吸附性能优良生物杂化水凝胶,微波真空干燥法构建羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶生物杂化干凝胶束,利用X射线衍射仪,扫描电子显微镜,全自动快速比表面积及中孔/微孔分析仪,透射电镜,傅立叶红外光谱仪等对羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶干凝胶束进行结构表征与分析,由此判断该杂化干凝胶束的吸附特性。
发明内容
发明目的:
为了解决上述技术问题,提出了一种双凝胶吸附剂及其制作方法。
技术方案:
一种双凝胶吸附剂及其制作方法,其所需要的材料有:明胶(分析纯)、双氧水(分析纯)、盐酸(分析纯)、氢氧化钠(分析纯)、氢氧化钙(分析纯)、磷酸(分析纯)、玉米淀粉(分析纯);其所需要的仪器有:98HW-1型恒温搅拌器、JSM26460扫描电子显微镜、JM-1200GX型透射电镜、X/max2000PC型X射线衍射仪、ASAP2020系列全自动快速比表面积及中孔/微孔分析仪;其制作步骤:(1)制备氧化淀粉、(2)制备氧化淀粉/明胶、(3)制备羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶、(4)分析羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶结构。
进一步,其制备氧化淀粉方法为:于三颈瓶中加入质量分数为30%的玉米淀粉乳,用1%氢氧化钠和盐酸将其pH值调整到4.0;然后边搅拌边升温到80℃并保温1h,反应液的温度保持在50℃继续搅拌缓慢滴加玉米淀粉质量分数30%的双氧水,滴加完毕后反应6h,将混合液立即高速离心分离;获得的氧化玉米淀粉在真空干燥箱,干燥箱温度为45℃,干燥24h;用电导滴定法测最终氧化淀粉含羧基量,盐酸羟胺电位滴定法测得醛基量。
进一步,其制备氧化淀粉/明胶方法为:在50℃下配制浓度为3%的明胶溶液,加入适量氧化玉米淀粉,明胶和氧化玉米淀粉质量比为6∶4,调节pH为5.5;将反应液升温至80℃,前30min转速为100rpm,后30min转速为500rpm,制得氧化淀粉/明胶溶液。
进一步,其制备羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶方法为:采用溶胶-凝胶法制备出含有Na2+离子羟基磷灰石配置成溶液,加入到氧化淀粉/明胶体系的溶液中,保温60℃搅拌均匀,最终调节pH到9.2左右,冷冻干燥48h,获得乳白色胶状自组装羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶凝胶束,用于物理化学性能表征。
进一步,其分析羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶结构方法为:
a)、红外光谱(FT-IR)分析:将制得的羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶杂化干凝胶冷冻干燥、研磨成粉,取适量样品和一定量的KBr研成盐片,于100℃下干燥4h,然后进行测试;
b)、X射线衍射光谱测定:取适量的羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶杂化干凝胶束的粉末于XRD-2000PS型X衍射仪上进行测试该杂化干凝胶束的物相及结晶度;
c)、扫描电镜分析羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶杂化干凝胶的微观结构及晶粒尺寸;
d)、全自动快速比表面积及中孔/微孔分析仪分析羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶杂化干凝胶的比表面以及孔径。
有益效果
本发明将玉米淀粉氧化后与明胶交联,再与凝胶-溶胶法制备的羟基磷灰石自组装制备羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶杂化干凝胶束。用FT-IR、XRD、BET和SEM对该杂化干凝胶束的晶型结构、化学组成、微观形貌、孔径尺寸等进行了表征。结果表明,羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶杂化干凝胶束有结构均匀非晶性结构,疏松多孔,有一定的比表面积和孔径,可以吸附废水中的金属离子和活性染料,是一种多功能杂化吸附材料。
附图说明
图1是本发明的制作流程示意图。
图2是本发明样品的FTIR图谱分析图。
图3是本发明样品的XRD分析曲线示意图。
图4-(a)是本发明样品的氧化玉米淀粉/明胶SEM示意图。
图4-(b)是本发明样品的羟基磷灰石/氧化玉米淀粉/明胶SEM示意图。
图5a是本发明样品的N2吸脱附等温线示意图。
图5b是本发明样品的样品BET方程图解。
图5c是本发明样品的孔径微分分布图。
具体实施方式
一种双凝胶吸附剂及其制作方法,其所需要的材料有:明胶(分析纯)、双氧水(分析纯)、盐酸(分析纯)、氢氧化钠(分析纯)、氢氧化钙(分析纯)、磷酸(分析纯)、玉米淀粉(分析纯);其所需要的仪器有:98HW-1型恒温搅拌器、JSM26460扫描电子显微镜、JM-1200GX型透射电镜、X/max2000PC型X射线衍射仪、ASAP2020系列全自动快速比表面积及中孔/微孔分析仪;其制作步骤:(1)制备氧化淀粉、(2)制备氧化淀粉/明胶(3)制备羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶、(4)分析羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶结构。
其中,其制备氧化淀粉方法为:于三颈瓶中加入质量分数为30%的玉米淀粉乳,用1%氢氧化钠和盐酸将其pH值调整到4.0;然后边搅拌边升温到80℃并保温1h,反应液的温度保持在50℃继续搅拌缓慢滴加玉米淀粉质量分数30%的双氧水,滴加完毕后反应6h,将混合液立即高速离心分离;获得的氧化玉米淀粉在真空干燥箱,干燥箱温度为45℃,干燥24h;用电导滴定法测最终氧化淀粉含羧基量,盐酸羟胺电位滴定法测得醛基量。
其中,其制备氧化淀粉/明胶方法为:在50℃下配制浓度为3%的明胶溶液,加入适量氧化玉米淀粉,明胶和氧化玉米淀粉质量比为6∶4,调节pH为5.5;将反应液升温至80℃,前30min转速为100rpm,后30min转速为500rpm,制得氧化淀粉/明胶溶液。
其中,其制备羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶方法为:采用溶胶-凝胶法制备出含有Na2+离子羟基磷灰石配置成溶液,加入到氧化淀粉/明胶体系的溶液中,保温60℃搅拌均匀,最终调节pH到9.2左右,冷冻干燥48h,获得乳白色胶状自组装羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶凝胶束,用于物理化学性能表征。
其中,其分析羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶结构方法为:
a)、红外光谱(FT-IR)分析:将制得的羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶杂化干凝胶冷冻干燥、研磨成粉,取适量样品和一定量的KBr研成盐片,于100℃下干燥4h,然后进行测试;
图2阐释了羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶制备前后的FTIR图谱变化。曲线b(明胶)红外显示在1625和1540cm-1出现了典型的氨基I带和氨基II带。在2625和2250cm-1归属于C-H的伸缩振动。在3400-3100,3000-2700cm-1是醇羟基的0-H和C-H伸缩振动。曲线c(氧化玉米淀粉)和曲线a(玉米淀粉)相比,在1750cm-1出现了新的峰,这是因为氧化后产生了C=0键的振动,证明了氧化后醛基的存在。在曲线d(氧化玉米淀粉/明胶)和e(羟基磷灰石/氧化玉米淀粉/明胶)的红外图谱中,800,1750cm-1相应于C-H和C=0振动的峰强度都有所增强,而且在1550cm-1,1530cm-1左右的吸收峰是由N-H弯曲振动和C-N伸缩振动的耦合引起的,表明明胶中的氨基基团和氧化淀粉中醛基基团发生了酰胺反应生成希夫碱。同时从曲线e中也可以看出1350cm-1左右也出现了红移的波数,该红移是由羟基磷灰石中的Ca2+与明胶的羧基基团形成共价键导致的,同时通过曲线e与曲线b和d相比,在1030cm-1左右出现了P04 3-的特征吸收峰,可以表明复合材料中存在羟基磷灰石。
b)、X射线衍射光谱测定:取适量的羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶杂化干凝胶束的粉末于XRD-2000PS型X衍射仪上进行测试该杂化干凝胶束的物相及结晶度;
XRD能够很好地表达产物的晶型结构,可间接反映孔道尺寸和孔道有序程度。如图3XRD结果表明原淀粉曲线a的20为15°,17°,22°,23°和24°,表明淀粉具有晶体结构。氧化后所得曲线b的20为15°,17°和22°,比原淀粉峰值低,说明氧化淀粉的晶型将大大降低,同时20的24°消失,证明非晶型区域的存在。曲线c(氧化玉米淀粉/明胶)中20的23°也消失了,证明明胶与氧化玉米淀粉之间有新的化学物质生成,导致晶型区域的破坏,这样的非晶型结构有利于该凝胶束用于吸附材料。从曲线d中可知,随着溶液中羟基磷灰石与氧化淀粉/明胶交联度的增加,在25.9°和31.8°处出现的羟基磷灰石(201)和(211)晶面特征衍射峰半高宽增大,峰高降低,根据谢尔公式可知,所形成的羟基磷灰石的晶粒尺寸变小,结晶度降低。造成这种现象的原因是随着羟基磷灰石与氧化淀粉/明胶交联,更多羟基磷灰石中的Ca2+与胶原中游离出来的C00-之间发生化学结合,形成稳定的高结合能的离子键,消耗了较多的Ca2+,而Ca2+是羟基磷灰石形核生长所必需的,Ca2+的减少,降低了材料的结晶度,阻碍了羟基磷灰石晶体的长大。而且由XRD可以初步判断其孔径的大小,虽然绝对峰强度不高,但峰形规则,说明材料具备有序介孔孔道,但实际情况必须考虑这些多孔材料的壁厚,相邻孔中心之间的距离,扣除壁厚才能得到实际孔径。因而介孔材料的真实孔径必须用氮气等温吸附脱附和透镜等手段测量。
c)、扫描电镜分析羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶杂化干凝胶的微观结构及晶粒尺寸。
如图4显示了350倍下氧化玉米淀粉/明胶图4-(a)和羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶凝胶束图4-(b)的SEM照片。通过SEM表征可知当没有加入羟基磷灰石时,氧化玉米淀粉/明胶凝胶束的孔结构不明显,而加入羟基磷灰石后很明显看出该干凝胶束是具有明显多孔结构,材料表面分布着很多互相贯穿的孔洞,而这样的孔结果利于该凝胶束用于废水吸附,具有凝血功能等。同时从图4-(b)中也可以看出生物杂化水凝胶的羟基磷灰石晶体与氧化淀粉/明胶充分复合,无机相和有机相分布较为均匀,同时进一步证实了XRD谱图所判断的该凝胶束是具有一定孔径的孔介材料。
d)、全自动快速比表面积及中孔/微孔分析仪分析羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶杂化干凝胶的比表面以及孔径。
通过氮气等温吸附脱附曲线可以较准确地得到材料的比表面积和孔径分布情况,由图5a可知:样品吸脱附等温线属于第四类多层吸附,说明材料是一种介孔材料。由于样品吸附时和脱附时等温线不重合,分别在分压段出现对应的滞后环,而滞后环是由与N2在样品内产生毛细凝聚的结果,环越大表示孔径越大;由图5b可知:样品对N2吸附在低压区服从BET二常数方程,根据该方程计算的到比表面积为30.4783m2/g。实测的羟基磷灰石的比表面积为28.75m2/g,可知羟基磷灰石与氧化淀粉/明胶发生了作用,所合成的材料比表面增大,更能保持孔道结构的有序性和完整性,可以用作金属离子和染料离子的吸附。通过图5c可知,按照IUPAC的分类方法,该样品介于(2-50nm)的孔为中孔,且孔分布均匀,结合图4-(a)和图4-(b)的SEM谱图,孔表面和孔数情况,可知所合成的自组装羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶凝胶束有一定的比表面积,而且孔径较多且均匀,该材料具有一定的吸附能力。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下,本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进,均应落入到本发明的保护范围,本发明请求保护的技术内容,已经全部记载在权利要求书中。
Claims (5)
1.一种双凝胶吸附剂及其制作方法,其所需要的材料有:明胶(分析纯)、双氧水(分析纯)、盐酸(分析纯)、氢氧化钠(分析纯)、氢氧化钙(分析纯)、磷酸(分析纯)、玉米淀粉(分析纯);其所需要的仪器有:98HW-1型恒温搅拌器、JSM26460扫描电子显微镜、JM-1200GX型透射电镜、X/max2000PC型X射线衍射仪、ASAP2020系列全自动快速比表面积及中孔/微孔分析仪;其制作步骤:(1)制备氧化淀粉、(2)制备氧化淀粉/明胶、(3)制备羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶、(4)分析羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶结构。
2.根据权利要求1所述的一种双凝胶吸附剂及其制作方法,其特征在于:其制备氧化淀粉方法为:于三颈瓶中加入质量分数为30%的玉米淀粉乳,用1%氢氧化钠和盐酸将其pH值调整到4.0;然后边搅拌边升温到80℃并保温1h,反应液的温度保持在50℃继续缓慢搅拌缓慢滴加玉米淀粉质量分数30%的双氧水,滴加完毕后反应6h,将混合液立即高速离心分离;获得的氧化玉米淀粉在真空干燥箱干燥,干燥箱温度为45℃,干燥24h;用电导滴定法测最终氧化淀粉含羧基量,盐酸羟胺电位滴定法测得醛基量。
3.根据权利要求1所述的一种双凝胶吸附剂及其制作方法,其特征在于:其制备氧化淀粉/明胶方法为:在50℃下配制浓度为3%的明胶溶液,加入适量氧化玉米淀粉,明胶和氧化玉米淀粉质量比为6∶4,调节pH为5.5;将反应液升温至80℃,前30min转速为100rpm,后30min转速为500rpm,制得氧化淀粉/明胶溶液。
4.根据权利要求1所述的一种双凝胶吸附剂及其制作方法,其特征在于:其制备羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶方法为:采用溶胶-凝胶法制备出含有Na2+离子羟基磷灰石配置成质量分数为30%溶液,加入到氧化淀粉/明胶体系的溶液中,羟基磷灰石占氧化淀粉/明胶固体质量的30%;保温60℃搅拌均匀,最终调节pH到9.2左右,冷冻干燥48h,获得乳白色胶状自组装羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶凝胶束,用于物理化学性能表征。
5.根据权利要求1所述的一种双凝胶吸附剂及其制作方法,其特征在于:其分析羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶结构方法为:
a)、红外光谱(FT-IR)分析:将制得的羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶杂化干凝胶冷冻干燥、研磨成粉,取适量样品和一定量的KBr研成盐片,于100℃下干燥4h,然后进行测试;
b)、X射线衍射光谱测定:取适量的羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶杂化干凝胶束的粉末于XRD-2000PS型X衍射仪上进行测试该杂化干凝胶束的物相及结晶度;
c)、扫描电镜分析羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶杂化干凝胶的微观结构及晶粒尺寸;
d)、全自动快速比表面积及中孔/微孔分析仪分析羟基磷灰石/氧化淀粉/明胶杂化干凝胶的比表面以及孔径。
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