CN105289557A - 利用Pickering-高内相乳液模板法制备磁性气凝胶吸附材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用Pickering-高内相乳液模板法制备磁性气凝胶吸附材料的方法，属高分子材料技术领域。本发明以水为连续相，有机溶剂为有机分散相，改性Fe₃O₄磁性粒子为乳液稳定剂，非离子表面活性剂为乳液助稳定剂，将可聚合的功能单体接枝到天然高分子壳聚糖上，再在引发剂、交联剂存在下，通过聚合反应制得气凝胶吸附材料。本发明制备的磁性气凝胶吸附材料不仅含有丰富的孔道结构和功能基团，有效显著提高对重金属的吸附速率和吸附容量，而且具有非常好的磁性分离和可重复使用性能，可用于水体和土壤中重金属及稀散离子的回收利用。

Description

利用Pickering-高内相乳液模板法制备磁性气凝胶吸附材料的方法

技术领域

本发明涉及一种磁性气凝胶吸附材料的制备方法，尤其涉及一种利用Pickering-高内相乳液模板法制备磁性气凝胶吸附材料的方法，属于高分子材料技术领域。

背景技术

重金属污染不能通过自然界本身物理的、化学的或生物的方式来净化，而通过空气、水、土壤等途径进入动植物体，并经由食物链放大富集进入人体，从而危害人体健康。随着我国工业化的发展，水体和土壤重金属污染已成为治理的难点。

水体重金属污染修复治理采用两条基本途径：一是降低重金属的生物可利用性和在水体中的迁移能力；二是将重金属从受污染水体中彻底清除。要从污染水体中彻底去除重金属，一是要制备具有高效吸附水体重金属的吸附材料，二是要解决吸附材料从水体中的可分离性。近年来，在高效吸附水体中重金属方面已取得重要进展，但吸附材料在水体中吸附重金属后如何快速有效分离的研究相对较少。因此，研制性能优良的可回收或易于水体分离的吸附剂，成为治理水体重金属污染关注的重点之一。

近年来，多孔材料在吸附分离过程中具有快速吸附与解吸特点已经逐步被人们认识到，不仅吸附效率高且可回收利用，同时通过孔壁改性可使材料具有良好的选择吸附性。因此，在重金属污染水体治理方面具有使用方便、可回收利用等优点。

传统的高内相乳液制备多孔材料是使用表面活性剂对乳液进行稳定，但多孔吸附材料中残余的少量表面活性剂会对水体产生二次污染。Pickering-高内相乳液模板法以两亲性的纳米或微米级粒子代替表面活性剂来稳定高内相乳液，具有粒子使用量少但稳定性高的特点。而且以功能性粒子为乳液稳定粒子还可以提高多孔材料强度，赋予多孔材料磁性、光敏感性以及催化性能等。

发明内容

本发明的目的是利用Pickering-高内相乳液模板法的特点，制备一种具有多孔结构的吸附材料，以提高其吸附性能和分离重复利用性能。

一、磁性气凝胶吸附材料的制备

本发明磁性气凝胶吸附材料及其制备方法，其特征在于：是以水为连续相，有机溶剂为有机分散相，改性Fe₃O₄磁性粒子为乳液稳定剂，非离子表面活性剂为乳液助稳定剂，壳聚糖作为接枝骨架，可聚合的功能单体为接枝单体，在引发剂、交联剂存在下，通过Pickering-高内相乳液模板法制备而得。其具体制备工艺为：是在搅拌下先将壳聚糖、可聚合的功能单体、交联剂、乳液稳定剂、乳液助稳定剂充分分散于连续相水中，再向水相中加入有机分散相并搅拌充分分散，然后加入引发剂搅拌均匀，得Pickering-高内相乳液；最后将Pickering-高内相乳液于30~90℃聚合12~48h，索氏提取12~48h，经工业乙醇脱水，真空干燥，得到磁性气凝胶吸附材料。

所述可聚合的功能单体为丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、马来酸、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、丙烯酸丁酯、苯乙烯、2-丙烯酰胺-2-甲基-丙磺酸、衣康酸中的至少一种；壳聚糖与可聚合的功能单体的质量比为1:2~1:8。

所述交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、三烯丙基异氰酸酯、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺中的一种；交联剂的用量为壳聚糖与可聚合的功能单体总质量的1~20%。

所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰中的一种；引发剂的用量为壳聚糖与可聚合的功能单体总质量的0.2~5%。

所述有机分散相为甲苯、苯、对二甲苯、液体石蜡、正己烷、正庚烷、正辛烷、正癸烷、松节油、四氯化碳中的至少一种；连续相水与有机分散相的体积比为1:1.5~1:6。

所述乳液助稳定剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚环氧乙烷醚、脂肪酸聚环乙烯烷酯、聚环氧乙烯烷基胺、聚氧乙烯烷基酰醇胺、聚氧乙烯与聚氧丙烯嵌段共聚物、甘油脂肪酸酯、蔗糖脂肪酸酯、山梨醇脂肪酸酯和失水山梨醇脂肪酸酯中的至少一种；乳液助稳定剂的用量为有机分散相体积的0.5~5%。

所述乳液稳定剂为改性Fe₃O₄磁性粒子，是将Fe₃O₄磁性粒子和改性剂在乙醇中50~65℃混合搅拌10~12h，然后用乙醇和水洗涤后，烘干而得。采用的改性剂为油酸、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、硅酸四乙酯、氨丙基甲基二乙氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷中的至少一种。改性Fe₃O₄磁性粒子的用量为有机分散相体积的0.2%~4%。

所述搅拌速度为500~2000rpm，搅拌时间为5min~240min。

二、磁性气凝胶吸附材料的结构、形貌表征

下面通过透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、光学显微镜、振动探针式磁强计（VSM）以及扫描电子显微镜(SEM)等表征手段，对本发明制备的Pickering-高内相乳液及磁性气凝胶吸附材料的结构形貌进行分析。

1、TEM和XRD分析

图1为本发明制备的磁性Fe₃O₄及改性磁性Fe₃O₄的TEM和XRD图。磁性Fe₃O₄纳米粒子（图1a）球形良好，粒径范围在50~120nm，透射电镜下观察未发现明显团聚现象，但粒子大小差别较大。经过改性处理后（图1b），粒子半径明显增大，粒径范围在70~150nm，改性粒子相对均一且分散性良好。对改性磁性Fe₃O₄粒子进行XRD分析后发现，改性后磁性Fe₃O₄在(220)、(311)、(400)、(511)及(440)的特征吸收峰仍然存在，说明改性没有对Fe₃O₄产生影响。

2.磁性分析（VSM）

采用振动样品磁强计测定了磁性Fe₃O₄、改性磁性Fe₃O₄粒子以及磁性气凝胶吸附材料的室温静磁性能。图2为本发明制备的磁性Fe₃O₄的磁性分析（VSM）图。图2的结果表明，磁性Fe₃O₄、改性磁性Fe₃O₄粒子和磁性气凝胶吸附材料的磁滞回线都过原点，且以原点为中心对称，证明磁性Fe₃O₄、改性磁性Fe₃O₄粒子和磁性气凝胶吸附材料的磁顽力为0，且具有超顺磁性。磁性Fe₃O₄的磁性强度为54.85emu/g，改性后磁性Fe₃O₄的磁性降低为15.45emu/g，但用改性磁性Fe₃O₄稳定高内相乳液制得的磁性气凝胶吸附材料磁性为3.71emu/g，用于水体吸附可以很方便将气凝胶从水体中分离开。

3、光学显微镜分析

图3为本发明制备的Pickering-高内相乳液的数码照片以及电子显微镜照片。从数码照片可以看出，本发明制备的Pickering-高内相乳液是粘稠液体，乳液静置24h未发现分层现象，说明乳液稳定性良好。从电子显微镜照片可以观察到大量水包油小液滴紧紧“挤在一起”；对乳液进一步放大观察，可以很清楚的看到，改性磁性Fe₃O₄均匀的分散于油水界面上，从而很好地稳定水包油Pickering-高内相乳液。

4、SEM分析

图4为本发明制备的磁性气凝胶吸附材料的SEM照片。从电镜照片中可以看出，磁性气凝胶吸附材料具有丰富的孔道结构，孔结构为“珊瑚状”的多孔结构；从电镜照片中未观察到孔道的塌缩现象。多孔泡沫体吸附材料的平均孔径为3.34μm，其中一级孔孔径范围在0.6~10μm之间，二级联通孔孔径范围在0.2~2.6μm。这种“珊瑚状”的多孔结构使得吸附材料内的吸附基团充分的暴露，从而使重金属离子和吸附基团之间可以充分的接触，提高吸附容量；同时这种多孔结构使得重金属离子在吸附材料中的内扩散速度进一步加快，从而提高吸附速率。

三、磁性气凝胶吸附材料对重金属的吸附和重复使用性能

1、对重金属铅和铜的吸附性能

分别选取50mg/L、200mg/L和400mg/L的Cd²⁺和50mg/L、300mg/L和600mg/LPb²⁺模拟重金属废水25mL，向其中加入本发明磁性气凝胶吸附剂（起始量为0.8g/L），恒温振荡不同吸附时间，过滤分离，上清液用可见分光光度法测定Cd²⁺和Pb²⁺的浓度。图5分别为本发明制备的多孔吸附剂对Cd²⁺、Pb²⁺的吸附速率曲线。由图5可见，对于低浓度（50mg/L）的重金属溶液，Cd²⁺在10min内完成吸附，Pb²⁺在5min内即可达到吸附平衡；对于高浓度（400mg/L和600mg/L）的重金属溶液，Cd²⁺在10min内完成吸附，而Pb²⁺在15min内完成吸附。磁性气凝胶材料对于中间浓度的Cd²⁺或者Pb²⁺溶液（200mg/L和400mg/L）均可以在5min完成吸附。对Cd²⁺和Pb²⁺的最大吸附容量分别达到290.4mg/g和674.9mg/g。该结果说明无论是低浓度还是高浓度重金属离子，都可以实现快速高效吸附去除。

2、对重金属铅和铜的重复使用性能

选取400mg/L的Cd²⁺和600mg/L的Pb²⁺模拟重金属废水25mL，向其中加入本发明吸附剂（起始量0.8g/L），恒温振荡1h，过滤分离。上清液用可见分光光度法测定Cd²⁺和Pb²⁺的浓度。吸附剂过滤后，0.1mol/LHCl溶液脱附、0.1mol/LNaOH溶液再生后继续用于对Cd²⁺和Pb²⁺的模拟重金属废水吸附。图6为本发明制备的多孔吸附剂吸附Cd²⁺、Pb²⁺的重复使用性能曲线。由图6可见，无论是对于Pb²⁺还是Cu²⁺，多孔吸附剂经5次吸附-脱附过程后，仍然保持很好的吸附性能，吸附容量降低均小于5%。说明该种多孔重金属吸附剂具有很好重复使用性能。

综上所述，本发明相对现有技术具有以下优点：

1、采用Pickering-高内相乳液技术，可以形成稳定的水包油型（O/W）高内相乳液，因而聚合后存在大量的一级孔和二级孔，可以实现对重金属Cu²⁺和Pb²⁺的快速高效吸附；

2、采用Pickering-高内相乳液技术，采用改性Fe₃O₄粒子稳定乳液，极大的减少了表面活性剂的用量，降低了吸附剂制备成本；

3、本发明制备的磁性气凝胶吸附剂具有非常好的可重复使用性能，有效降低了重金属水体治理的成本；

4、本发明制备的吸附剂产品形态为磁性气凝胶材料，用于重金属水体污染治理具有使用方便和可回收利用等优点。

附图说明。

图1为本发明制备的透射电子显微镜(TEM)及X射线衍射(XRD)图。

图2为本发明制备的磁性Fe₃O₄的磁性分析（VSM）图。

图3为本发明制备的Pickering-高内相乳液的光学显微镜图。

图4为本发明制备的多孔吸附剂的扫描电子显微镜(SEM)图。

图5为本发明制备的多孔吸附剂吸附Cd²⁺和Pb²⁺的磁性分离和吸附速率图。

图6为本发明制备的多孔吸附剂吸附Cd²⁺和Pb²⁺的重复使用性能曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明磁性气凝胶的制备做进一步说明。

实施例1

在1000rpm搅拌下将0.1g壳聚糖、1.5g丙烯酰胺、1.5g丙烯酸、2.2gN,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.3g改性Fe₃O₄、1.5g脂肪醇聚氧乙烯醚类表面活性剂分散于10mL水中；待各组分溶解之后，向混合液中加入环己烷30mL搅拌4h，加入引发剂过硫酸钾0.5g，搅拌5min；所得Pickering-高内相乳液装入柱状管，密封，于50℃聚合12h。所得聚合物丙酮索氏提取48h，经工业乙醇脱水处理后，真空干燥，得到磁性气凝胶吸附材料。该吸附材料对重金属Cd²⁺和Pb²⁺的去吸附量分别为215mg/g和486mg/g。

实施例2

在1200rpm搅拌下将0.3g壳聚糖、2.0g2-丙烯酰胺-2-甲基-丙磺酸、1.5g丙烯酸、1.0g乙二醇二甲基丙烯酸酯、0.6g改性Fe₃O₄、1.0g山梨醇脂肪酸酯类表面活性剂和0.5g聚氧乙烯与聚氧丙烯嵌段共聚物类表面活性剂分散于10mL水中；待各组分溶解之后，向混合液中滴加入液体石蜡40mL搅拌2h，加入引发剂过硫酸铵0.6g，搅拌5min；所得Pickering-高内相乳液装入柱状管，密封，于40℃聚合24h。所得聚合物正己烷索氏提取12h，经工业乙醇脱水处理后，真空干燥，得到磁性气凝胶吸附材料。该吸附材料对重金属Cu²⁺和Pb²⁺的去吸附量分别为270mg/g和665mg/g。

实施例3

在800rpm搅拌下将1.0g壳聚糖、3.0g甲基丙烯酸、2.5g三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、1.5g改性Fe₃O₄、2.0g烷基酚聚环氧乙烷醚类表面活性剂分散于15mL水中；待各组分溶解之后，向混合液中滴加入对二甲苯55mL搅拌3h，加入引发剂过硫酸铵0.9g，搅拌5min；所得Pickering-高内相乳液装入柱状管，密封，于50℃聚合20h。所得聚合物工业乙醇索氏提取24h，经工业乙醇脱水处理后，真空干燥，得到磁性气凝胶吸附材料。该吸附材料对重金属Cd²⁺和Pb²⁺的去吸附量分别为282mg/g和712mg/g。

实施例4

在600rpm搅拌下将1.0g壳聚糖、3.0g衣康酸、2.0g2-丙烯酰胺-2-甲基-丙磺酸和1.5gN,N’-亚甲基双丙烯酰胺、1.2g改性Fe₃O₄、1.0g脂肪醇聚氧乙烯醚类表面活性剂分散于5mL水中；待各组分溶解之后，向混合液中滴加入四氯化碳35mL搅拌4h，加入引发剂过硫酸钾0.5g，搅拌5min，所得Pickering-高内相乳液装入柱状管，密封，于70℃聚合8h。所得聚合物丙酮索氏提取24h，经工业乙醇脱水处理后，真空干燥，得到磁性气凝胶吸附材料。该吸附材料对重金属Cd²⁺和Pb²⁺的去吸附量分别为308mg/g和596mg/g。

实施例5

在300rpm搅拌下将0.5g壳聚糖、4.0gN-异丙基丙烯酰胺、1.5g丙烯酸和2.1gN,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.4g改性Fe₃O₄、2.0g聚氧乙烯与聚氧丙烯嵌段共聚物类表面活性剂分散于10mL水中；待各组分溶解之后，向混合液中滴加入对二甲苯45mL搅拌分散1h，加入引发剂过硫酸铵0.5g，搅拌5min；所得Pickering-高内相乳液装入试管，密封，于50℃聚合48h。所得聚合物正己烷索氏提取24h，经工业乙醇脱水处理后，真空干燥，得到多孔吸附材料。该吸附材料对重金属Cd²⁺和Pb²⁺的去吸附量分别为213mg/g和518mg/g。

上述各实施例中，改性Fe₃O₄磁性粒子由以下工艺而得：将0.5gFe₃O₄在500rpm搅拌下于100mL乙醇中分散2h后，加入2mL改性剂，在60℃继续搅拌12h。所得产物用乙醇和水各洗3次后，60℃烘干。采用的改性剂为油酸、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、硅酸四乙酯、氨丙基甲基二乙氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷中的至少一种。

Claims (10)

1.利用Pickering-高内相乳液模板法制备磁性气凝胶吸附材料的方法，以水为连续相，有机溶剂为有机分散相，改性Fe₃O₄磁性粒子为乳液稳定剂，非离子表面活性剂为乳液助稳定剂，将可聚合的功能单体接枝到天然高分子壳聚糖上，再在引发剂、交联剂存在下，通过聚合反应制得气凝胶吸附材料。

2.如权利要求1所述利用Pickering-高内相乳液模板法制备磁性气凝胶吸附材料的方法，其特征在于：是在搅拌下先将壳聚糖、可聚合的功能单体、交联剂、乳液稳定剂、乳液助稳定剂充分分散于连续相水中，再向水相中加入有机分散相并搅拌充分分散，然后加入引发剂搅拌均匀，得Pickering-高内相乳液；最后将Pickering-高内相乳液于30~90℃聚合12~48h，索氏提取12~48h，经工业乙醇脱水，真空干燥，得到磁性气凝胶吸附材料。

3.如权利要求1或2所述利用Pickering-高内相乳液模板法制备磁性气凝胶吸附材料的方法，其特征在于：可聚合的功能单体为丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、马来酸、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、丙烯酸丁酯、苯乙烯、2-丙烯酰胺-2-甲基-丙磺酸、衣康酸中的至少一种。

4.如权利要求1或2所述利用Pickering-高内相乳液模板法制备磁性气凝胶吸附材料的方法，其特征在于：壳聚糖与可聚合的功能单体的质量比为1:2~1:8。

5.如权利要求1或2所述利用Pickering-高内相乳液模板法制备磁性气凝胶吸附材料的方法，其特征在于：所述交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、三烯丙基异氰酸酯、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺中的一种；交联剂的用量为壳聚糖与可聚合的功能单体总质量的1~20%。

6.如权利要求1或2所述利用Pickering-高内相乳液模板法制备磁性气凝胶吸附材料的方法，其特征在于：引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰中的一种；引发剂的用量为壳聚糖与可聚合的功能单体总质量的0.2~5%。

7.如权利要求1或2所述利用Pickering-高内相乳液模板法制备磁性气凝胶吸附材料的方法，其特征在于：所述有机分散相为甲苯、苯、对二甲苯、液体石蜡、正己烷、正庚烷、正辛烷、正癸烷、松节油、四氯化碳中的至少一种；连续相水与有机分散相的体积比为1:1.5~1:6。

8.如权利要求1或2所述利用Pickering-高内相乳液模板法制备磁性气凝胶吸附材料的方法，其特征在于：所述乳液助稳定剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚环氧乙烷醚、脂肪酸聚环乙烯烷酯、聚环氧乙烯烷基胺、聚氧乙烯烷基酰醇胺、聚氧乙烯与聚氧丙烯嵌段共聚物、甘油脂肪酸酯、蔗糖脂肪酸酯、山梨醇脂肪酸酯和失水山梨醇脂肪酸酯中的至少一种；乳液助稳定剂的用量为有机分散相体积的0.5~5%。

9.如权利要求1或2所述利用Pickering-高内相乳液模板法制备磁性气凝胶吸附材料的方法，其特征在于：所述乳液稳定剂为改性Fe₃O₄磁性粒子，是将Fe₃O₄磁性粒子和改性剂在乙醇中50~65℃混合搅拌10~12h，然后用乙醇和水洗涤后烘干而得；采用的改性剂为油酸、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、硅酸四乙酯、氨丙基甲基二乙氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷中的至少一种；改性Fe₃O₄磁性粒子的用量为有机分散相体积的0.2%~4%。

10.如权利要求1或2利用Pickering-高内相乳液模板法制备磁性气凝胶吸附材料的方法，其特征在于：所述搅拌速度为500~2000rpm，搅拌时间为5min~240min。