CN105646804A - 一种大孔介孔镍表面离子印迹聚合物的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及离子印迹聚合物制备技术领域,尤其涉及一种响应曲面法对大孔介孔离子印迹聚合物的制备工艺优化方法。本发明的目的是以大孔介孔硅基材料为基底,结合RAFT聚合方法,采用响应曲面优化镍表面离子印迹聚合物(Ni(II)-IIP)的制备工艺,用最少的实验对RAFT试剂S,S’-二(α,α’-甲基-α”-乙酸)三硫代碳酸酯(BDAAT)的用量、功能单体丙烯酰胺(AM)的用量、反应时间(T)和引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)试剂的用量这四个对印迹聚合物合成影响较大的条件进行优化,从而提高了镍离子的动态吸附容量,并应用于动态吸附分离水溶液中的镍离子。
Description
技术领域
本发明涉及离子印迹聚合物制备技术领域,尤其涉及一种响应曲面法对大孔介孔离子印迹聚合物的制备工艺优化方法,并应用于动态吸附分离水溶液中镍离子。
背景技术
镍广泛应用于电镀、催化、电池以及功能材料等领域,镍的大量使用不仅加快了镍资源的消耗也对生态环境造成了严重污染。与人体接触时,镍可以通过毛孔和皮脂腺进入皮肤,从而导致肌肤过敏发炎,而镍过敏能无限期持续。因此,对环境中镍离子的及时吸附分离是极其必要的。
研究表明,多孔硅基材料是常用的吸附材料。多孔材料可以根据孔直径的大小分为三类:孔径小于2nm的材料为微孔材料;孔径在2-50nm的材料为介孔材料;孔径大于50nm的材料为大孔材料。微孔、介孔、大孔材料都有其各自的优缺点,我们可以根据应用需要和结构特点选择性的把这些单一孔材料构造成多级孔材料。多级孔材料,由于其大的比表面积,发达的多级孔隙结构,使其在扩散、传质等方面展示了优良的特性。
离子印迹聚合物(Ionimprintedpolymers,IIPs),是一种具有固定孔穴大小和形状,还有某些特殊分子结构和功能基团的新型高分子材料。由于在制备过程中获得的识别位点对特定分子具有特异的亲和力、选择性以及高度交联的结构,能够选择性的识别目标离子。表面印迹技术将识别位点建立在表面,解决了传统方法对模板离子包埋过深难洗脱的问题,提高了模板离子与识别点的结合速度,加强了印迹材料的吸附分离效率。
目前,已有许多研究者对离子印迹聚合物的制备工艺进行了研究,但由于在制备过程有多种因素影响,想要得到性能优异的离子印迹聚合物非常困难。响应曲面方法是一种重要的探究、提升、优化制备工艺的有效方法,可用于确定各因素及其交互作用在工艺过程中对指标(响应值)的影响,精确的表述因素和响应值之间的关系。
可逆-加成断裂链转移(RAFT)自由基聚合是最近发展进来的一种活性可控自由基聚合技术。该技术单体适用面广、反应条件温和,可控制聚合物的相对分子质量及其分布,已成为一种有效的聚合物分子设计手段。
发明内容
本发明的目的是以大孔介孔硅基材料为基底,结合RAFT聚合方法,采用响应曲面优化镍表面离子印迹聚合物(Ni(II)-IIP)的制备工艺,用最少的实验对RAFT试剂S,S’-二(α,α’-甲基-α”-乙酸)三硫代碳酸酯(BDAAT)的用量、功能单体丙烯酰胺(AM)的用量、反应时间(T)和引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)试剂的用量这四个对印迹聚合物合成影响较大的条件进行优化,从而提高了镍离子的动态吸附容量,并应用于动态吸附分离水溶液中的镍离子。
一种大孔介孔镍表面离子印迹聚合物的制备方法,以MMSMPS,硝酸镍,AM,BDAAT,二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)和AIBN为原料,在氮气保护下进行反应,洗涤未反应的原料、干燥、洗去模板镍离子、水洗至中性、干燥得到大孔介孔镍表面离子印迹聚合物,其特征在于:采用中心复合试验设计方法对RAFT试剂S,S’-二(α,α’-甲基-α”-乙酸)三硫代碳酸酯(BDAAT)的用量、功能单体丙烯酰胺(AM)的用量、反应时间(T)和引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)试剂的用量这四个对印迹聚合物合成影响较大的条件进行优化,从而提高了镍离子的动态吸附容量,并应用于动态吸附分离水溶液中的镍离子。
采用响应曲面方法优化大孔介孔镍表面离子印迹聚合物的制备,以期获得更大的镍离子动态吸附容量,并应用于动态分离水溶液中镍离子,按照下述步骤进行:
(1)将苯乙烯(St),聚乙烯吡咯烷酮(PVP),3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MPS)和AIBN依次加入到乙醇与水的混合溶液中,其中St、PVP、MPS与AIBN的质量比为50:40:12.5:1,乙醇与水的体积比为14:1。将该混合溶液置于60℃油浴中,氮气保护下,磁力搅拌24h。反应后将产物用乙醇:水(v:v,1:1)洗涤5次,以洗脱未反应的St,PVP,MPS和AIBN,60℃真空干燥6h后取出,得到聚苯乙烯颗粒(PS)。
(2)将聚(丙二醇)-嵌-聚(乙二醇)-嵌-聚(丙二醇)(P123)溶于水和盐酸的混合溶液中,35℃搅拌,待P123完全溶解后,加入步骤(1)中所得聚苯乙烯颗粒,逐滴加入正硅酸四乙酯(TEOS),35℃水浴反应24h,其中P123,H2O,HCl,PS和TEOS的质量体积比为2g:56.67mL:8.33mL:1g:4.6mL。然后将反应混合物倒入聚四氟乙烯为衬底的不锈钢反应釜中,加盖密封好,移入烘箱中于100℃下陈化24h。所得反应物用水洗涤3次以洗脱未反应的P123、聚苯乙烯和正硅酸四乙酯,60℃干燥。将合成的粉末置于管式炉中,在空气中以1℃·min-1的升温速度缓慢升温,至550℃时恒温6h,得到除去有机组分的大孔介孔二氧化硅材料(MMS)。
(3)将步骤(2)中所得的MMS溶于乙醇中,超声10min,然后MPS加入到混合溶液中,40℃反应12h,其中MMS,乙醇和MPS的质量体积比为0.3g:40mL:2mL。反应后将产物用乙醇洗涤3次,以洗脱未反应的MPS,50℃真空干燥得到MPS修饰的MMS(MMSMPS)。
(4)响应面法优化设计
选取对印迹聚合物合成影响较显著的BDAAT的用量、AM的用量、反应时间T和AIBN的用量这4个因素为自变量,以镍离子吸附容量qe为响应值Y,利用Design-Expert8.0.5b软件根据中心复合试验设计(CCD)原则进行实验设计。
(5)将步骤(3)中的MMSMPS,硝酸镍,AM,BDAAT,二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)和AIBN混合加入至甲醇-水的混合溶液中,其中控制MMSMPS的浓度为1.5-3.5g·L-1,镍离子Ni(II)的浓度为0.24-0.34g·L-1,AM的浓度为0.85-2.0g·L-1,BDAAT的浓度为1.5-3.5g·L-1,EGDMA的浓度为4.95-14.85g·L-1,AIBN的浓度为0.2-0.4g·L-1,甲醇与水的体积比为1:1,并将该混合溶液置于60℃油浴中,氮气保护下,反应4-8h,反应后依次用甲醇、去离子水各洗涤5次,以脱除未反应的丙烯酰胺、偶氮二异丁腈以及未印迹的Ni(II),在60℃下真空干燥,然后用2mol·L-1盐酸洗去模板离子,并用去离子水洗至中性,再在60℃下真空干燥获得大孔介孔材料表面离子印迹聚合物(Ni(II)-IIP)。
(6)动态分离水溶液中镍离子
选用自制动态吸附实验装置,将0.1g的Ni(II)-IIP装入动态吸附柱,用pH6.0的去离子水通过吸附装置10-30min,其目的在于排除实验外的影响因素,从而降低实验误差。控制溶液流速为1mL·min-1,将配制好的30mg·L-1的镍离子溶液通过吸附柱,并用5mL塑料离心管连续接流出液,结合电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)测量流出液浓度。
(7)模型的建立和统计分析
对所得数据进行多元回归分析,建立二次多元回归模型:
其中,响应值Y为镍离子吸附容量qe,X1为BDAAT的用量、X2为AM的用量、X3为反应时间T,X4为AIBN的用量;
(8)对二次多元回归模型方程进行方差分析和显著性分析;
(9)实验结果分析与优化:
利用Design-Expert8.0.5b软件根据二次多元回归模型进行绘图分析自变量X1、X2、X3、X4和响应值Y的关系,得到回归方程的响应面及其等高线图,得到镍表面离子印迹聚合物的最优合成条件。
步骤(2)中所述的MMS,其作用为基质材料。
步骤(3)中所述的3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷,其作用为硅烷偶联剂。
步骤(5)中所述的硝酸镍,其作用为模板离子。
步骤(5)中所述的丙烯酰胺,其作用为功能单体。
步骤(5)中所述的二甲基丙烯酸乙二醇酯,其作用为交联剂。
步骤(5)中所述的偶氮二异丁腈,其作用为引发剂。
步骤(5)中所述的BDAAT,其作用为RAFT转移剂合成剂。
步骤(6)中,所述镍离子动态吸附容量的计算方法为:
其中,qe为镍离子吸附容量,Q为体积流量(mL·min-1),ttotal为达到吸附平衡时所用时间,C0镍离子溶液初始浓度,Ct为t时刻流出液中镍离子浓度,m为吸附剂质量。
本发明的技术优点:
(1)合成的大孔介孔二氧化硅材料结合了介孔材料和大孔材料的优点,拥有较大的比表面积,发达的多级孔隙结构,使其在扩散、传质等方面展示了优良的特性。
(2)利用响应曲面优化镍表面离子印迹聚合物的合成工艺,仅需30组实验即可得到优化结果,得到具有优异吸附容量的印迹聚合物。
(3)本发明合成的镍表面离子印迹聚合物具有优越的镍离子识别能力;
(4)采用动态吸附方法吸附分离镍离子,为工业进一步应用提供依据;
附图说明
图1(a)和1(b)分别是聚苯乙烯颗粒和MMS的扫描电镜图;图1(c)和1(d)分别是MMS和Ni(II)-IIP的透射电镜图;由图1(a)可知合成的聚苯乙烯颗粒大小均一。从图1(b)可以看出合成的MMS有很明显的大孔结构,这有利于传质;图1(c)可以看出合成的MMS具有良好的介孔结构,图1(d)与1(c)比较,可以看出印迹聚合物薄层有效地接枝到MMS的表面。
图2为本发明合成过程中BDAAT浓度与AM浓度对镍离子动态吸附容量影响的响应面三维图。
图3为本发明合成过程中BDAAT浓度与AM浓度对镍离子动态吸附容量影响的响应面二维图。
图4为本发明合成过程中BDAAT浓度与反应时间T对镍离子动态吸附容量影响的响应面三维图。
图5为本发明合成过程中BDAAT浓度与反应时间T对镍离子动态吸附容量影响的响应面二维图。
图6为本发明合成过程中BDAAT浓度与AIBN浓度对镍离子动态吸附容量影响的响应面三维图。
图7为本发明合成过程中BDAAT浓度与AIBN浓度对镍离子动态吸附容量影响的响应面二维图。
图8为本发明合成过程中AM浓度与反应时间T对镍离子动态吸附容量影响的响应面三维图。
图9为本发明合成过程中AM浓度与反应时间T对镍离子动态吸附容量影响的响应面二维图。
图10为本发明合成过程中AM浓度与AIBN浓度对镍离子动态吸附容量影响的响应面三维图。
图11为本发明合成过程中AM浓度与AIBN浓度对镍离子动态吸附容量影响的响应面二维图。
图12为本发明合成过程中反应时间T与AIBN浓度对镍离子动态吸附容量影响的响应面三维图。
图13为本发明合成过程中反应时间T与AIBN浓度对镍离子动态吸附容量影响的响应面二维图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明,但本发明的保护范围并不限于此。
(1)将2g苯乙烯(St),1.6g聚乙烯吡咯烷酮(PVP),0.5g3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MPS)和0.04gAIBN依次加入到28mL乙醇和2mL水中,并将该混合溶液置于70℃油浴中,氮气保护下,磁力搅拌24h。反应后将产物用乙醇:水(v:v,1:1)洗涤5次,以洗脱未反应的St,PVP,MPS和AIBN,60℃真空干燥6h后取出,得到聚苯乙烯颗粒。
(2)将2gP123溶于56.67mL水和8.33mL盐酸中,35℃搅拌。待P123完全溶解后,加入1g步骤(1)中所得聚苯乙烯,逐滴加入4.6mL正硅酸四乙酯,35℃水浴反应24h。然后将反应混合物倒入聚四氟乙烯为衬底的不锈钢反应釜中,加盖密封好,移入烘箱中于100℃下陈化24h。所得反应物用水洗涤3次以洗脱未反应的P123,聚苯乙烯和正硅酸四乙酯,60℃干燥。将合成的粉末置于管式炉中,在空气中以1℃·min-1的升温速度缓慢升温,至550℃时恒温6h,得到除去有机组分的大孔介孔二氧化硅材料MMS。
(3)0.3g步骤(2)中所得的MMS溶于40mL乙醇中,超声10min。然后取2mLMPS加入到混合溶液中,40℃反应12h。反应后将产物用乙醇洗涤3次,以洗脱未反应的MPS,50℃真空干燥得到MPS修饰的MMS(MMSMPS)。
(4)响应面法优化设计
选取对印迹聚合物合成影响较显著的BDAAT的用量、AM的用量、反应时间T和AIBN的用量这4个因素为自变量,以镍离子吸附容量qe为响应值Y,利用Design-Expert8.0.5b软件根据中心复合试验设计(CCD)原则进行实验设计。设定结果见表1。
设计一个4因素5水平的实验方案,具体如下:
表1实验因素与水平设定
注:α=2
以BDAAT的质量(X1)、AM质量(X2)、反应时间(X3)和AIBN质量(X4)为自变量,以镍离子吸附容量qe为响应值Y,试验方案见表2。
表2中心复合试验设计
(5)取0.05g步骤(3)中的MMSMPS,0.29g硝酸镍,AM,BDAAT,0.198g二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)和AIBN混合加入至20mL甲醇-水的混合溶液中,其中BDAAT的质量、AM质量和AIBN质量按表2实验编号依次进行,甲醇与水的体积比为1:1。并将该混合溶液置于60℃油浴中,氮气保护下,反应表2相对应时间。反应后依次用甲醇、去离子水各洗涤5次,以脱除未反应的丙烯酰胺、偶氮二异丁腈以及未印迹的Ni(II),在60℃下真空干燥,然后用2mol·L-1盐酸洗去模板离子,并用去离子水洗至中性,再在60℃下真空干燥获得大孔介孔材料表面离子印迹聚合物,简写为Ni(II)-IIP-X(X为实验编号)。
(6)动态分离水溶液中镍离子
选用自制动态吸附实验装置,将0.1g的Ni(II)-IIP-X装入动态吸附柱,用pH6.0的去离子水通过吸附装置10-30min,其目的在于排除实验外的影响因素,从而降低实验误差。控制溶液流速为1mL·min-1,将配制好的30mg·L-1的镍离子溶液通过吸附柱,并用5mL塑料离心管连续接流出液,结合电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)测量流出液浓度。
(7)模型的建立和统计分析
试验结果见表3。
表3中心复合试验结果
根据上述数据进行多元回归分析,建立二次多元回归模型:
其中,响应值Y为镍离子吸附容量qe,X1为BDAAT的用量、X2为AM的用量、X3为反应时间T,X4为AIBN的用量;
(8)对二次多元回归模型方程进行方差分析和显著性分析,分析结果见表4:
表4实验数据的方差分析结果
注:*为差异显著(P<0.05)。
各因子与响应值之间线性关系显著性,由F值检验来判定,P值越小,则说明变量的显著性越高。
由方差分析表(表4)可知,其因变量和全体自变量之间的线性关系显著(R2=0.9838),模型显著水平小于0.0001,所以该回归方程模型是极显著的。
(9)实验结果分析与优化:
利用Design-Expert8.0.5b软件根据多元二次回归模型进行绘图分析,得到回归方程的响应面及其等高线图。
图2和图3为本发明合成过程中BDAAT浓度与AM浓度对镍离子动态吸附容量影响的响应面三维图和二维图;从图中可看出BDAAT浓度与AM浓度对镍离子的吸附存在耦合作用,AM浓度越接近0.145g·L-1,BDAAT浓度越高,则镍离子动态吸附容量越高。
图4和图5为本发明合成过程中BDAAT浓度与反应时间T对镍离子动态吸附容量影响的响应面三维图和二维图;从图中可看出BDAAT浓度与反应时间T对镍离子的吸附存在耦合作用,反应时间T越接近6.3h,BDAAT浓度越高,则镍离子动态吸附容量越高。
图6和图7为本发明合成过程中BDAAT浓度与AIBN浓度对镍离子动态吸附容量影响的响应面三维图和二维图;从图中可看出BDAAT浓度与AIBN浓度对镍离子的吸附存在耦合作用,AIBN浓度越接近0.225g·L-1,BDAAT浓度越高,则镍离子动态吸附容量越高。
图8和图9为本发明合成过程中AM浓度与反应时间T对镍离子动态吸附容量影响的响应面三维图和二维图;从图中可看出AM浓度与反应时间T对镍离子的吸附存在耦合作用,AM浓度越接近0.145g·L-1,反应时间T越接近6.3h,则镍离子动态吸附容量越高。
图10和图11为本发明合成过程中AM浓度与AIBN浓度对镍离子动态吸附容量影响的响应面三维图和二维图;从图中可看出AM浓度与AIBN浓度对镍离子的吸附存在耦合作用,AM浓度越接近0.145g·L-1,AIBN浓度越接近0.225g·L-1,则镍离子动态吸附容量越高。
图12和图13为本发明合成过程中反应时间T与AIBN浓度对镍离子动态吸附容量影响的响应面三维图和二维图,从图中可看出反应时间T与AIBN浓度对镍离子的吸附存在耦合作用,反应时间T越接近6.3h,AIBN浓度越接近0.225g·L-1,则镍离子动态吸附容量越高。
根据模型分析得知,镍表面离子印迹聚合物的最优合成条件为BDAAT浓度3.5g·L-1,AM浓度0.145g·L-1,反应时间T6.3h,AIBN浓度0.225g·L-1。在此条件下,镍离子的最大动态吸附容量预测值为12.96mg·g-1,实际测得的镍离子动态吸附容量为12.83mg·g-1,与预测值接近。
所述实施例为本发明的优选的实施方式,但本发明并不限于上述实施方式,在不背离本发明的实质内容的情况下,本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种大孔介孔镍表面离子印迹聚合物的制备方法,以MMSMPS,硝酸镍,AM,BDAAT,二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)和AIBN为原料,在氮气保护下进行反应,洗涤未反应的原料、干燥、洗去模板镍离子、水洗至中性、干燥得到大孔介孔镍表面离子印迹聚合物,其特征在于:采用中心复合试验设计方法对RAFT试剂S,S’-二(α,α’-甲基-α”-乙酸)三硫代碳酸酯(BDAAT)的用量、功能单体丙烯酰胺(AM)的用量、反应时间(T)和引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)试剂的用量这四个对印迹聚合物合成影响较大的条件进行优化,从而提高了镍离子的动态吸附容量,并应用于动态吸附分离水溶液中的镍离子。
2.如权利要求1所述的一种大孔介孔镍表面离子印迹聚合物的制备方法,其特征在于所述以MMSMPS,硝酸镍,AM,BDAAT,二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)和AIBN为原料,在氮气保护下进行反应,洗涤未反应的原料、干燥、洗去模板镍离子、水洗至中性、干燥得到大孔介孔镍表面离子印迹聚合物指:将步骤中的MMSMPS,硝酸镍,AM,BDAAT,二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)和AIBN混合加入至甲醇-水的混合溶液中,其中控制MMSMPS的浓度为1.5-3.5g·L-1,镍离子Ni(II)的浓度为0.24-0.34g·L-1,AM的浓度为0.85-2.0g·L-1,BDAAT的浓度为1.5-3.5g·L-1,EGDMA的浓度为4.95-14.85g·L-1,AIBN的浓度为0.2-0.4g·L-1,甲醇与水的体积比为1:1,并将该混合溶液置于60℃油浴中,氮气保护下,反应4-8h,反应后依次用甲醇、去离子水各洗涤5次,以脱除未反应的丙烯酰胺、偶氮二异丁腈以及未印迹的Ni(II),真空干燥,然后用盐酸洗去模板离子,并用去离子水洗至中性,再真空干燥获得大孔介孔材料表面离子印迹聚合物(Ni(II)-IIP)。
3.如权利要求1所述的一种大孔介孔镍表面离子印迹聚合物的制备方法,其特征在于所述MMSMPS的制备方法为:将MMS溶于乙醇中超声,然后MPS加入到混合溶液中,40℃反应12h,其中MMS,乙醇和MPS的质量体积比为0.3g:40mL:2mL。反应后将产物用乙醇洗涤3次,以洗脱未反应的MPS,50℃真空干燥得到MPS修饰的MMS(MMSMPS)。
4.如权利要求3所述的一种大孔介孔镍表面离子印迹聚合物的制备方法,其特征在于所述MMS的制备方法为:将聚(丙二醇)-嵌-聚(乙二醇)-嵌-聚(丙二醇)(P123)溶于水和盐酸的混合溶液中,35℃搅拌,待P123完全溶解后,加入聚苯乙烯颗粒,逐滴加入正硅酸四乙酯(TEOS),35℃水浴反应24h,其中P123,H2O,HCl,PS和TEOS的质量体积比为2g:56.67mL:8.33mL:1g:4.6mL。然后将反应混合物倒入聚四氟乙烯为衬底的不锈钢反应釜中,加盖密封好,移入烘箱中于100℃下陈化24h,所得反应物用水洗涤3次以洗脱未反应的P123、聚苯乙烯和正硅酸四乙酯,干燥后将合成的粉末置于管式炉中,在空气中以1℃·min-1的升温速度缓慢升温,至550℃时恒温6h,得到除去有机组分的大孔介孔二氧化硅材料(MMS)。
5.如权利要求1所述的一种大孔介孔镍表面离子印迹聚合物的制备方法,其特征在于:AM浓度越接近0.145g·L-1,BDAAT浓度越高,则镍离子动态吸附容量越高。
6.如权利要求1所述的一种大孔介孔镍表面离子印迹聚合物的制备方法,其特征在于:反应时间T越接近6.3h,BDAAT浓度越高,则镍离子动态吸附容量越高。
7.如权利要求1所述的一种大孔介孔镍表面离子印迹聚合物的制备方法,其特征在于:AIBN浓度越接近0.225g·L-1,BDAAT浓度越高,则镍离子动态吸附容量越高。
8.如权利要求1所述的一种大孔介孔镍表面离子印迹聚合物的制备方法,其特征在于:AM浓度越接近0.145g·L-1,反应时间T越接近6.3h,则镍离子动态吸附容量越高。
9.如权利要求1所述的一种大孔介孔镍表面离子印迹聚合物的制备方法,其特征在于:AM浓度越接近0.145g·L-1,AIBN浓度越接近0.225g·L-1,则镍离子动态吸附容量越高。
10.如权利要求1所述的一种大孔介孔镍表面离子印迹聚合物的制备方法,其特征在于:反应时间T越接近6.3h,AIBN浓度越接近0.225g·L-1,则镍离子动态吸附容量越高。
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