CN104741067B - 一种碳羟基磷灰石-碳气溶胶复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种羟基磷灰石‑碳复合材料的制备方法,其具体步骤是在密闭容器中,将水溶性糖类化合物、水溶性高分子和可溶性钙盐溶于水,然后加入可溶性磷酸盐或酸式磷酸盐,在140~300℃反应,经洗涤、干燥、惰性气氛下煅烧得到碳羟基磷灰石‑碳气溶胶复合材料。本发明制备过程简单,易操作,反应条件温和,所制备的羟基磷灰石‑碳复合材料具有吸附容量大、对多种金属离子都具有吸附作用等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳羟基磷灰石-碳气溶胶复合材料的制备方法。
背景技术
羟基磷灰石(HydroxyPaatite,HAP),分子式为Ca10(PO4)6(OH)2,是Ca与磷酸根和Ca(OH)2的复盐。HAP晶体属于P6/m空间群,△为六角柱体,其晶格常数a=b=0.9412nm,c=0.6885nm。微溶于水,水溶液呈弱碱性pH(7-9),易溶于酸,难溶于碱。
羟基磷灰石是一种天然生物矿物材料,具有良好的生物相容性和环境友好性,是骨骼和牙齿的主要无机矿物成分。大量研究表明,羟基磷灰石对镉、钴、铅、锌等重金属元素具有良好的吸附性能,但因机械性能差、稳定性较低,阻碍了其在重金属废水实际处理中的大规模推广和应用。为提高羟基磷灰石的重金属吸附能力,近年诸多研究关注于对羟基磷灰石进行掺杂改性或构造立体结构,以提高其吸附能力。
发明内容
本发明旨在提供一种成本低、易于合成、吸附容量大的碳羟基磷灰石-碳气溶胶复合材料的制备方法。
本发明实现过程如下:
一种碳羟基磷灰石-碳气溶胶复合材料的制备方法:在密闭容器中,将水溶性糖类化合物、水溶性高分子和可溶性钙盐溶于水,然后加入可溶性磷酸盐或酸式磷酸盐,在140~300℃反应,经洗涤、干燥、惰性气氛下煅烧得到碳羟基磷灰石-碳气溶胶复合材料。
上述反应优选的反应温度为160~230℃;干燥过程采用自然干燥、冷冻干燥或二氧化碳超临界干燥,优选为冷冻干燥或二氧化碳超临界干燥;干燥得到的碳气凝胶进一步在惰性气氛下经过300~1200℃煅烧处理可提高其含碳量,并有利于打开闭塞的孔道,比表面积得到增加;向反应体系中加入有机或无机碱后制备的碳气凝胶弹性较好且紧致。
所述的糖类化合物选自单糖、二糖、低聚糖、多糖,所述的糖类化合物选自葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、水苏糖、棉籽糖、异麦芽酮糖、乳酮糖、低聚果糖、低聚木糖、低聚半乳糖、低聚异麦芽糖、低聚异麦芽酮糖、低聚龙胆糖、大豆低聚糖、低聚壳聚糖、环糊精、淀粉、酸改性淀粉、氧化淀粉、白糊精、黄色糊精、淡黄色糊精、乙酸化淀粉、辛基琥珀酸钠盐淀粉、羟丙基化淀粉醚、环氧乙烷交联淀粉、淀粉胶、淀粉乙酸胶、羧基淀粉胶、耐水淀粉胶、纤维素、半纤维素、糖元、木糖、阿拉伯胶、粘多糖。
所述的水溶性高分子为聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、水解聚丙烯酰胺、丙烯酸和甲基丙烯酸聚合物、聚乳酸、聚马来酸、聚天冬氨酸、聚环氧琥珀酸、甲壳质、聚乙烯醇。
反应体系中加入了有机或无机碱,所述的有机或无机碱选自氢氧化钠、氨水、吡啶、三乙胺、三乙醇胺、单乙醇胺、四甲基氢氧化铵、二异丙基乙基氨、二乙烯三胺、奎宁。
上述糖类化合物和水溶性高分子的质量比为1:6~1:0.005,优选为1:1~1:0.05;糖类化合物与水的质量比为1:60~1:0.5,优选为1:30~1:1;糖类化合物与可溶性钙盐的质量比为20:1~1:1。
本发明碳凝胶的形成机理如下:糖类化合物是含有多羟基醛、多羟基酮以及能水解而生成多羟基醛或多羟基酮的有机化合物,水溶性高分子含有丰富的羧基、羟基或氨基的高聚物,在酸或碱的催化下,经过高温水热反应可形成交联的网状结构,最终水热炭化得到多孔的碳凝胶材料。
本发明制备过程简单,易操作,反应条件温和,制备得到的复合材料对多种金属离子具有吸附能力,具有吸附容量大的优点。
附图说明
图1为实施例1、2、7、8、9、14、20、30制备的碳羟基磷灰石-碳复合材料的图片;
图2为实施例1至5制备的碳羟基磷灰石-碳复合材料的XRD图。
具体实施方式
实施例1
将10g 葡萄糖和6g聚乙烯吡咯烷酮(K30)溶于60mL 水中,然后加入2.1g 氯化钙、1.55g磷酸二氢钾,将混合液转移至密闭反应釜中,在200℃下反应5小时,反应结束后得到圆柱状凝胶见图1(a),凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下450℃煅烧3小时得到羟基磷灰石-碳复合材料,其粉末衍射图如图2(a)所示。
实施例2
将5.5g 蔗糖和0.5g聚丙烯酰胺(Mw:2000000~14000000)溶于20mL 水中,然后加入2g氯化钙、0.85g无水磷酸钾,将混合液转移至密闭反应釜中,在200℃下反应5小时,反应结束后得到圆柱状凝胶见图1(b),凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下1000℃煅烧2小时得到羟基磷灰石-碳复合材料,其粉末衍射图如图2(b)所示。
实施例3
将5g 乳糖和0.6g聚丙烯酰胺(Mw:2000000~14000000)溶于15mL 水中,加入2g氯化钙、1.9g磷酸二氢钾,将混合液转移至密闭反应釜中,在200℃下反应5小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下750℃煅烧2小时得到羟基磷灰石-碳复合材料,其粉末衍射图如图2(c)所示。
实施例4
将7g 水苏糖和1g聚丙烯酸钠(Mw:5000000~7000000)溶于25mL 水中,加入4g硝酸钙、1.9g无水磷酸钾,将混合液转移至密闭反应釜中,在180℃下反应7小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,经二氧化碳超临界干燥后在氮气气氛下500℃煅烧3小时得到羟基磷灰石-碳复合材料,其粉末衍射图如图2(d)所示。
实施例5
将6g 异麦芽酮糖和0.05g水解聚丙酰胺溶于5mL 水中,再加入1.1g 氯化钙、1g磷酸钠,将混合液转移至密闭反应釜中,在190℃下反应6小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下900℃煅烧4小时得到羟基磷灰石-碳复合材料,其粉末衍射图如图2(e)所示。
实施例6
将5g棉籽糖和0.7g聚丙烯酰胺(Mw:2000000~14000000)溶于15mL 水中,再加入2g 硝酸钙、1g磷酸钠,将混合液转移至密闭反应釜中,在200℃下反应5小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下550℃煅烧3小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例7
将5g土豆淀粉和0.8g丙烯酸和甲基丙烯酸聚合物溶于30mL 水中,再加入3g 硝酸钙、1g磷酸钠,将混合液转移至密闭反应釜中,在170℃下反应10小时,反应结束后得到圆柱状凝胶见图1(c),凝胶经二氧化碳超临界干燥后在氮气气氛下1000℃煅烧2小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例8
将7g低聚壳聚糖和0.8g聚马来酸溶于15mL 水中,再加入1.8g硝酸钙、1g磷酸钠,将混合液转移至密闭反应釜中,在170℃下反应10小时,反应结束后得到圆柱状凝胶见图1(d),凝胶经二氧化碳超临界干燥后在氮气气氛下500℃煅烧4小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例9
将5gβ-环糊精和1g聚马来酸溶于25mL 水中,再加入3.5mL二乙烯三胺、1.1g 氯化钙、0.72g磷酸二氢钠,将混合液转移至密闭反应釜中,在240℃下反应3.5小时,反应结束后得到圆柱状凝胶见图1(e),凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下800℃煅烧5小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例10
将4g β -环糊精和1.5g聚乙烯吡咯烷酮(K30)溶于25mL 水中,再加入3.5mL浓氨水(浓度28%)、2g 硝酸钙、0.72g磷酸二氢钠,将混合液转移至密闭反应釜中,在230℃下反应4小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,凝胶经二氧化碳超临界干燥后在氮气气氛下800℃煅烧2小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例11
将3g白糊精和1.5g聚丙烯酰胺(Mw:2000000~14000000)溶于 20mL 水中,再加入3mL三乙胺、3g 硝酸钙、0.72g磷酸二氢钠,将混合液转移至密闭反应釜中,在210℃下反应5.5小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下800℃煅烧5小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例12
将6g 蔗糖和1.0g聚丙烯酰胺(Mw:2000000~14000000)溶于 19mL 水中,再加入1.8g硝酸钙、0.72g磷酸二氢钠,将混合液转移至密闭反应釜中,在200℃下反应5小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下700℃煅烧2小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例13
将5g辛基琥珀酸钠盐淀粉和0.5g聚丙烯酰胺(Mw:2000000~14000000)溶于 10mL水中,再加入1.1g 氯化钙、0.9g磷酸铵,将混合液转移至密闭反应釜中,在160℃下反应10小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下800℃煅烧4小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例14
将7g羧基淀粉胶和0.55g聚天冬氨酸溶于17mL 水中,再加入2g 硝酸钙、0.9g磷酸铵,将混合液转移至密闭反应釜中,在170℃下反应9小时,反应结束后得到圆柱状凝胶见图1(f),凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下500℃煅烧3小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例15
将4g羟丙基化淀粉醚和0.6g聚天冬氨酸溶于6mL 水中,再加入4mL奎宁、3g 硝酸钙、0.9g磷酸铵,将混合液转移至密闭反应釜中,在180℃下反应7小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,经冷冻干燥后在氮气气氛下500℃煅烧3小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例16
将5.6g可溶性纤维素和0.7g聚环氧琥珀酸溶于13mL 水中,再加入1.8g硝酸钙、0.9g磷酸铵,将混合液转移至密闭反应釜中,在170℃下反应9小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,凝胶经二氧化碳超临界干燥后在氮气气氛下950℃煅烧1小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例17
将6.8g半纤维素和0.8g聚乙烯醇溶于15mL 水中,加入2.2g 氯化钙、2g磷酸铵,将混合液转移至密闭反应釜中,在200℃下反应5小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下500℃煅烧4小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例18
将4.6g糖元和0.8g聚丙烯酰胺(Mw:2000000~14000000)溶于15mL 水中,再加入3g 硝酸钙、2g磷酸铵,将混合液转移至密闭反应釜中,在190℃下反应6小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下600℃煅烧2小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例19
将6g木糖和1g聚丙烯酰胺(Mw:2000000~14000000)溶于30mL 水中,再加入6mL浓氨水(浓度28%)、4g硝酸钙、2g磷酸铵,将混合液转移至密闭反应釜中,在300℃下反应3小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下1000℃煅烧1小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例20
将7g阿拉伯胶和5g聚丙烯酸钠(Mw:5000000~7000000)溶于31mL 水中,再加入1.1g 氯化钙、0.9g磷酸铵,将混合液转移至密闭反应釜中,在200℃下反应5小时,反应结束后得到圆柱状凝胶见图1(g),凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下950℃煅烧4小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例21
将6.7g粘多糖和1.2g聚乙烯吡咯烷酮(K30)溶于15mL 水中,再加入1.8g硝酸钙、0.85g无水磷酸钾,将混合液转移至密闭反应釜中,在140℃下反应17小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下750℃煅烧3小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例22
将8g乳酮糖和1.0g聚乙烯吡咯烷酮(K30)溶于30mL 水中,再加入1.1g 氯化钙、0.9g磷酸铵,将混合液转移至密闭反应釜中,在200℃下反应5小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下400℃煅烧2小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例23
将6g低聚果糖和1g聚马来酸溶于25mL 水中,再加入2.2g 氯化钙、2g磷酸铵,将混合液转移至密闭反应釜中,在170℃下反应9小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下300℃煅烧7小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例24
将2.7g低聚木糖和2.2g聚乙烯吡咯烷酮(K30)溶于16mL 水中,再加入1.1g 氯化钙、0.9g磷酸铵,将混合液转移至密闭反应釜中,在180℃下反应7小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,经冷冻干燥后在氮气气氛下750℃煅烧3小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例25
将4g低聚半乳糖和1.2g聚环氧琥珀酸溶于15mL 水中,再加入3g氯化钙、2g磷酸铵,将混合液转移至密闭反应釜中,在230℃下反应4小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下850℃煅烧2小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例26
将5.8g低聚异麦芽糖和0.8g聚丙烯酰胺(Mw:2000000~14000000)溶于15mL 水中,再加入1.1g 氯化钙、0.9g磷酸铵,将混合液转移至密闭反应釜中,在200℃下反应5小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下900℃煅烧1小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例27
将10g低聚异麦芽酮糖和1.5g聚丙烯酰胺(Mw:2000000~14000000)溶于25mL 水中,再加入4g硝酸钙、2g磷酸铵,将混合液转移至密闭反应釜中,在170℃下反应9小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下800℃煅烧3小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例28
将4.5g低聚龙胆糖和0.5g聚乙烯吡咯烷酮(K30)溶于10mL 水中,再加入4g硝酸钙、2g磷酸铵,将混合液转移至密闭反应釜中,在180℃下反应7小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下700℃煅烧6小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例29
将5g葡萄糖、5g蔗糖和5.0g聚乙烯醇溶于60mL 水中,再加入15mL乙酸、1.6g氯化钙、1g磷酸氢铵,将混合液转移至密闭反应釜中,在200℃下反应5小时,反应结束后得到圆柱状凝胶,凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下600℃煅烧5小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例30
将3g乳糖、3gβ -环糊精和1g聚乙烯吡咯烷酮(K30)溶于10mL 水中,再加入4g四水合硝酸钙、2g磷酸铵,将混合液转移至密闭反应釜中,在150℃下反应15小时,反应结束后得到圆柱状凝胶见图1(h),凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下1200℃煅烧1小时得到羟基磷灰石-碳复合材料。
实施例31 吸附实验
取初始浓度为40.0mg/L的铅和20.0mg/L的镉离子吸附液各50.0mL,加入4g/L的实施例1至5制备得到的羟基磷灰石-碳复合材料,调节pH为5,控制温度为35℃,搅拌0.5h后静置1h,取上清液测定残余离子浓度,结果如下表所示:
Claims (7)
1.一种碳羟基磷灰石-碳气溶胶复合材料的制备方法,其特征在于:在密闭容器中,将水溶性糖类化合物、水溶性高分子和可溶性钙盐溶于水,然后加入可溶性磷酸盐,在140~300℃反应,经洗涤、干燥、惰性气氛下煅烧得到碳羟基磷灰石-碳气溶胶复合材料;
所述的水溶性高分子为聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、丙烯酸和甲基丙烯酸聚合物、聚乳酸、聚马来酸、聚天冬氨酸、聚环氧琥珀酸、甲壳质、聚乙烯醇。
2.根据权利要求1所述的碳羟基磷灰石-碳气溶胶复合材料的制备方法,其特征在于:所述的糖类化合物选自葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、水苏糖、棉籽糖、乳酮糖、低聚果糖、低聚木糖、低聚半乳糖、低聚异麦芽糖、低聚异麦芽酮糖、低聚龙胆糖、大豆低聚糖、低聚壳聚糖、环糊精、淀粉、酸改性淀粉、氧化淀粉、白糊精、辛基琥珀酸钠盐淀粉、羟丙基化淀粉醚、环氧乙烷交联淀粉、淀粉胶、纤维素、半纤维素、糖元、阿拉伯胶、粘多糖。
3.根据权利要求1所述的碳羟基磷灰石-碳气溶胶复合材料的制备方法,其特征在于:反应体系中加入了有机或无机碱,所述的有机或无机碱选自氢氧化钠、氨水、吡啶、三乙胺、三乙醇胺、单乙醇胺、四甲基氢氧化铵、二异丙基乙基胺、二乙烯三胺、奎宁。
4.根据权利要求1所述的碳羟基磷灰石-碳气溶胶复合材料的制备方法,其特征在于:反应温度为160~230℃。
5.根据权利要求1至4任意之一所述的碳羟基磷灰石-碳气溶胶复合材料的制备方法,其特征在于:糖类化合物和水溶性高分子的质量比为1:6~1:0.005,糖类化合物与水的质量比为1:60~1:0.5,糖类化合物与可溶性钙盐的质量比为20:1~2:1。
6.根据权利要求1所述的碳羟基磷灰石-碳气溶胶复合材料的制备方法,其特征在于:干燥采用冷冻干燥或二氧化碳超临界干燥。
7.根据权利要求1所述的碳羟基磷灰石-碳气溶胶复合材料的制备方法,其特征在于:煅烧温度为300~1200℃。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |