CN106699997A - 一种磁性聚合物复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁性聚合物复合材料及其制备方法和应用，属于复合材料技术领域。本发明将磁性物质Fe3O4加入甲苯中，然后加入氨丙基三甲氧基硅烷，氮气保护条件下，回流反应得到产物A；将产物A放入乙腈中，加入3‑氯丙烯，氮气保护条件下，回流反应得到产物B；将产物B放入蒸馏水中，然后加入苯并‑18‑冠‑6‑醚‑丙烯酰胺和丙烯酸、再加入引发剂，在氮气保护条件下反应，然后反应产物离心分离烘干后得到磁性聚合物复合材料。本发明方法制备的磁性聚合物复合材料对铯离子有很高的吸附能力，且有很高的选择性，可广泛用于工业废水中铯离子的回收利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁性聚合物复合材料及其制备方法和应用，属于复合材料技术领域。
背景技术
铯是一种银色的金属，主要应用于电子、陶瓷、医药、核工业等领域，特别是在核工业中，放射性铯作为铀核裂变的产物之一，大量出现在核废水当中。铯具有38 个同位素，除了铯-133 为稳定同位素外，其余均为放射性同位素，特别是铯-137 危害巨大。目前核能作为一种清洁能源被越来越广泛的使用，从而会产生大量的低中放固体废物进入到生态系统中。铯不是动植物的必须组分，环境中的铯若通过食物链被植物、动物和人吸收，会对生物体产生巨大的危害。
为降低水环境中铯的生态风险，需要去除污水或地表水体中的铯。目前常规的水处理方法有物理、化学、生物法以及上述方法的组合处理方法。与传统的复杂工艺相比，吸附法具有工艺简单、处理效果稳定、价格相对低等优点。目前，还未研究出能有效吸附脱除水中污染物，且具有分散性好、吸附速率快、吸附效果好、且回收容易的特点的吸附剂。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁性聚合物复合材料，其化学结构式为：
。
本发明的另一目的提供所述磁性聚合物复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将磁性物质Fe3O4加入甲苯中，然后加入氨丙基三甲氧基硅烷，氮气保护条件下，回流反应得到产物A，标记为APTMS- Fe3O4；
（2）将步骤（1）得到的产物A（APTMS- Fe3O4）放入乙腈中，加入3-氯丙烯，氮气保护条件下，回流反应得到产物B，标记为CP- Fe3O4；
（3）将步骤（2）得到的产物B（CP- Fe3O4）放入蒸馏水中，然后加入苯并-18-冠-6-醚-丙烯酰胺和丙烯酸，再加入引发剂，在氮气保护条件下反应，然后反应产物离心分离烘干后得到磁性聚合物复合材料，标记为BC-Fe3O4。
所述步骤（1）中甲苯与磁性Fe3O4的液固比mL:mg为5:1~15:1；
所述步骤（1）中氨丙基三甲氧基硅烷与磁性Fe3O4的液固比mL:mg为1:1~3:1；
所述步骤（1）中回流反应的温度为60~80℃，回流反应时间为16~24h；
所述步骤（2）中乙腈与产物A（APTMS- Fe3O4）的液固比mL:mg为5:1~15:1；
所述步骤（2）中3-氯丙烯与产物A（APTMS- Fe3O4）的液固比mL:mg为2:1~4:1；
所述步骤（2）中回流反应的温度为60~80℃，回流反应时间为16~24h；
所述步骤（3）中蒸馏水与磁性Fe3O4的液固比mL:mg为5:1~15:1；
所述步骤（3）中苯并-18-冠-6-醚-丙烯酰胺参照文献Cation Binding Properties ofPolymethacrylamide Derivatives of Crown Ethersa，K. Yagi, J. A. Ruiz, M. C.Sanchez, Makromol. Chem. Rapid. Commun. 1980, 1, 263制备而得；
所述步骤（3）中苯并-18-冠-6-醚-丙烯酰胺与产物B（CP- Fe3O4）的液固比mL:mg为1:1~3:1；
所述步骤（3）中丙烯酸与产物B（CP- Fe3O4）的液固比mL:mg为3:1~9:1；
所述步骤（3）中引发剂与产物B的质量比为1:100~3:100；
所述步骤（3）中引发剂为偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈；
所述步骤（3）中反应的温度为60~80℃，反应时间为8~12h；
本发明所述的磁性聚合物复合材料BC-Fe3O4可用作铯离子吸附剂。
本发明的有益效果：
（1）本发明的磁性聚合物复合材料对铯离子有很高的吸附能力，且有很高的选择性，可广泛用于工业废水中铯离子的回收利用；
（2）本发明的磁性聚合物复合材料制备方法简单，流程短，易于制备；
（3）本发明的磁性聚合物复合材料使用性好，方法操作简单，富集率高，易于实现。易与水溶液分离，对环境不造成二次污染，具有广泛的应用价值和经济价值。
附图说明
图1 为实施例1 制备的磁性聚合物复合材料的红外光谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
苯并-18-冠-6-醚-丙烯酰胺制备：参照文献Cation Binding Properties ofPolymethacrylamide Derivatives of Crown Ethersa，K. Yagi, J. A. Ruiz, M. C.Sanchez, Makromol. Chem. Rapid. Commun. 1980, 1, 263，将4-硝基苯并-18-冠-6醚与丙烯酰氯加入到四氢呋喃中，并加入三乙胺，在40℃条件下反应2h，得到苯并-18-冠-6-醚-丙烯酰胺，产率为86%。
实施例1：一种磁性聚合物复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）将磁性物质Fe3O4加入甲苯中，其中甲苯与磁性Fe3O4的液固比mL:mg为5:1；然后加入氨丙基三甲氧基硅烷，其中氨丙基三甲氧基硅烷与磁性Fe3O4的液固比mL:mg为1:1；在温度为60℃、氮气保护条件下，回流反应16h得到产物A，标记为APTMS- Fe3O4；
（2）将步骤（1）得到的产物A（APTMS- Fe3O4）放入乙腈中，其中乙腈与产物A（APTMS-Fe3O4）的液固比mL:mg为5:1；加入3-氯丙烯，其中3-氯丙烯与产物A（APTMS- Fe3O4）的液固比mL:mg为2:1；在温度为60℃、氮气保护条件下，回流反应16h得到产物B，标记为CP- Fe3O4；
（3）将步骤（2）得到的产物B（CP- Fe3O4）放入蒸馏水中，其中蒸馏水与步骤（1）中的磁性物质Fe3O4液固比mL:mg为5:1；然后加入苯并-18-冠-6-醚-丙烯酰胺（苯并-18-冠-6-醚-丙烯酰胺与产物B（CP- Fe3O4）的液固比mL:mg为1:1）和丙烯酸（丙烯酸与产物B（CP- Fe3O4）的液固比mL:mg为3:1）；再加入引发剂（引发剂为偶氮二异丁脒盐酸盐（V50），其中偶氮二异丁脒盐酸盐（V50）与产物B（CP- Fe3O4）的质量比为1:100）；在温度为60℃、氮气保护条件下反应8h，然后反应产物离心分离烘干后得到磁性聚合物复合材料，标记为BC-Fe3O4，磁性聚合物复合材料的产率为95%。
本实施例制备得到的磁性聚合物复合材料的红外光谱见图1，从图1 中看到，样品在620cm-1处的吸收峰对应Fe-O的吸收峰，在3430 cm-1处的宽峰对应于-NH的吸收峰，在1110 cm-1处的峰对应于Si-O的吸收峰，1516cm-1处的峰对应于C=C的吸收峰，1695cm-1处的峰对应于-COOH的吸收峰，从而证明了磁性聚合物复合材料的成功合成。
对铯离子的吸附实验：分别配制离子浓度均为50mg/L的含有钠、钾、锂或铯离子的离子水溶液，取0.02 g 磁性聚合物复合材料（BC-Fe3O4）吸附剂分别投入10 ml含有钠、钾、锂或铯离子的离子水溶液中，震荡吸附1h，然后磁分离吸附剂，用原子吸收法分别测定上清液中剩余金属的离子浓度，其中钠离子浓度为48mg/L、钾离子浓度为34mg/L、锂离子浓度为46mg/L、铯离子浓度为 4mg/L，结果表明吸附剂对铯离子有较高的吸附率，对其他金属离子吸附能力非常弱，表明BC-Fe3O4对铯离子的选择性吸附效果较好。
实施例2：一种磁性聚合物复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）将磁性物质Fe3O4加入甲苯中，其中甲苯与磁性Fe3O4的液固比mL:mg为10:1；然后加入氨丙基三甲氧基硅烷，其中氨丙基三甲氧基硅烷与磁性Fe3O4的液固比mL:mg为2:1；在温度为70℃、氮气保护条件下，回流反应20h得到产物A，标记为APTMS- Fe3O4；
（2）将步骤（1）得到的产物A（APTMS- Fe3O4）放入乙腈中，其中乙腈与产物A（APTMS-Fe3O4）的液固比mL:mg为10:1；加入3-氯丙烯，其中3-氯丙烯与产物A（APTMS- Fe3O4）的液固比mL:mg为3:1；在温度为70℃、氮气保护条件下，回流反应20h得到产物B，标记为CP- Fe3O4；
（3）将步骤（2）得到的产物B（CP- Fe3O4）放入蒸馏水中，其中蒸馏水与步骤（1）中的磁性物质Fe3O4液固比mL:mg为10:1；然后加入苯并-18-冠-6-醚-丙烯酰胺（苯并-18-冠-6-醚-丙烯酰胺与产物B（CP- Fe3O4）的液固比mL:mg为2:1）和丙烯酸（丙烯酸与产物B（CP- Fe3O4）的液固比mL:mg为6:1）；再加入引发剂（引发剂为偶氮二异丁腈，其中偶氮二异丁腈与产物B（CP- Fe3O4）的质量比为2:100）；在温度为70℃、氮气保护条件下反应10h，然后反应产物离心分离烘干后得到磁性聚合物复合材料，标记为BC-Fe3O4，磁性聚合物复合材料的产率为92%。
对铯离子的吸附实验：分别配制离子浓度均为50mg/L的含有钠、钾、锂或铯离子的离子水溶液，取0.02 g 磁性聚合物复合材料（BC-Fe3O4）吸附剂分别投入10 ml含有钠、钾、锂或铯离子的离子水溶液中，震荡吸附1h，然后磁分离吸附剂，用原子吸收法分别测定上清液中剩余金属的离子浓度，其中钠离子浓度为46mg/L、钾离子浓度为33mg/L、锂离子浓度为45mg/L、铯离子浓度为 3mg/L，结果表明吸附剂对铯离子有较高的吸附率，对其他金属离子吸附能力非常弱，表明BC-Fe3O4对铯离子的选择性吸附效果较好。
实施例3：一种磁性聚合物复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）将磁性物质Fe3O4加入甲苯中，其中甲苯与磁性Fe3O4的液固比mL:mg为12:1；然后加入氨丙基三甲氧基硅烷，其中氨丙基三甲氧基硅烷与磁性Fe3O4的液固比mL:mg为3:2；在温度为75℃、氮气保护条件下，回流反应22h得到产物A，标记为APTMS- Fe3O4；
（2）将步骤（1）得到的产物A（APTMS- Fe3O4）放入乙腈中，其中乙腈与产物A（APTMS-Fe3O4）的液固比mL:mg为12:1；加入3-氯丙烯，其中3-氯丙烯与产物A（APTMS- Fe3O4）的液固比mL:mg为3:1；在温度为75℃、氮气保护条件下，回流反应22h得到产物B，标记为CP- Fe3O4；
（3）将步骤（2）得到的产物B（CP- Fe3O4）放入蒸馏水中，其中蒸馏水与步骤（1）中的磁性物质Fe3O4液固比mL:mg为12:1；然后加入苯并-18-冠-6-醚-丙烯酰胺（苯并-18-冠-6-醚-丙烯酰胺与产物B（CP- Fe3O4）的液固比mL:mg为3:2）和丙烯酸（丙烯酸与产物B（CP- Fe3O4）的液固比mL:mg为8:1）；再加入引发剂（引发剂为偶氮二异庚腈，其中偶氮二异庚腈与产物B（CP- Fe3O4）的质量比为2:100）；在温度为75℃、氮气保护条件下反应11h，然后反应产物离心分离烘干后得到磁性聚合物复合材料，标记为BC-Fe3O4，磁性聚合物复合材料的产率为94%。
对铯离子的吸附实验：分别配制离子浓度均为50mg/L的含有钠、钾、锂或铯离子的离子水溶液，取0.02 g 磁性聚合物复合材料（BC-Fe3O4）吸附剂分别投入10 ml含有钠、钾、锂或铯离子的离子水溶液中，震荡吸附1h，然后磁分离吸附剂，用原子吸收法分别测定上清液中剩余金属的离子浓度，其中钠离子浓度为45mg/L、钾离子浓度为31mg/L、锂离子浓度为45mg/L、铯离子浓度为3mg/L，结果表明吸附剂对铯离子有较高的吸附率，对其他金属离子吸附能力非常弱，表明BC-Fe3O4对铯离子的选择性吸附效果较好。
实施例4：一种磁性聚合物复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）将磁性物质Fe3O4加入甲苯中，其中甲苯与磁性Fe3O4的液固比mL:mg为15:1；然后加入氨丙基三甲氧基硅烷，其中氨丙基三甲氧基硅烷与磁性Fe3O4的液固比mL:mg为3:1；在温度为80℃、氮气保护条件下，回流反应24h得到产物A，标记为APTMS- Fe3O4；
（2）将步骤（1）得到的产物A（APTMS- Fe3O4）放入乙腈中，其中乙腈与产物A（APTMS-Fe3O4）的液固比mL:mg为15:1；加入3-氯丙烯，其中3-氯丙烯与产物A（APTMS- Fe3O4）的液固比mL:mg为4:1；在温度为80℃、氮气保护条件下，回流反应24h得到产物B，标记为CP- Fe3O4；
（3）将步骤（2）得到的产物B（CP- Fe3O4）放入蒸馏水中，其中蒸馏水与步骤（1）中的磁性物质Fe3O4液固比mL:mg为15:1；然后加入苯并-18-冠-6-醚-丙烯酰胺（苯并-18-冠-6-醚-丙烯酰胺与产物B（CP- Fe3O4）的液固比mL:mg为3:1）和丙烯酸（丙烯酸与产物B（CP- Fe3O4）的液固比mL:mg为9:1）；再加入引发剂（引发剂为偶氮二异庚腈，其中偶氮二异庚腈与产物B（CP- Fe3O4）的质量比为3:100）；在温度为80℃、氮气保护条件下反应12h，然后反应产物离心分离烘干后得到磁性聚合物复合材料，标记为BC-Fe3O4，磁性聚合物复合材料的产率为94%。
对铯离子的吸附实验：分别配制离子浓度均为50mg/L的含有钠、钾、锂或铯离子的离子水溶液，取0.02 g 磁性聚合物复合材料（BC-Fe3O4）吸附剂分别投入10 ml含有钠、钾、锂或铯离子的离子水溶液中，震荡吸附1h，然后磁分离吸附剂，用原子吸收法分别测定上清液中剩余金属的离子浓度，其中钠离子浓度为44mg/L、钾离子浓度为32mg/L、锂离子浓度为43mg/L、铯离子浓度为3mg/L，结果表明吸附剂对铯离子有较高的吸附率，对其他金属离子吸附能力非常弱，表明BC-Fe3O4对铯离子的选择性吸附效果较好。
Claims (15)
1.一种磁性聚合物复合材料，其特征在于，化学结构式为：
。
2.权利要求1所述磁性聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）将磁性物质Fe3O4加入甲苯中，然后加入氨丙基三甲氧基硅烷，氮气保护条件下，回流反应得到产物A；
（2）将步骤（1）得到的产物A放入乙腈中，加入3-氯丙烯，氮气保护条件下，回流反应得到产物B；
（3）将步骤（2）得到的产物B放入蒸馏水中，然后加入苯并-18-冠-6-醚-丙烯酰胺和丙烯酸、再加入引发剂，在氮气保护条件下反应，然后反应产物离心分离烘干后得到磁性聚合物复合材料。
3.根据权利要求2所述磁性聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中甲苯与磁性Fe3O4的液固比mL:mg为5:1~15:1。
4.根据权利要求2或3所述磁性聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中氨丙基三甲氧基硅烷与磁性Fe3O4的液固比mL:mg为1:1~3:1。
5.根据权利要求4所述磁性聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中回流反应的温度为60~80℃，回流反应时间为16~24h。
6.根据权利要求2所述磁性聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中乙腈与产物A的液固比mL:mg为5:1~15:1。
7.根据权利要求2或6所述磁性聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中3-氯丙烯与产物A的液固比mL:mg为2:1~4:1。
8.根据权利要求7所述磁性聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中回流反应的温度为60~80℃，回流反应时间为16~24h。
9.根据权利要求2所述磁性聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中蒸馏水与Fe3O4的液固比mL:mg为5:1~15:1。
10.根据权利要求9所述磁性聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中苯并-18-冠-6-醚-丙烯酰胺与产物B的液固比mL:mg为1:1~3:1。
11.根据权利要求9或10所述磁性聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中丙烯酸与产物B的液固比mL:mg为3:1~9:1。
12.根据权利要求11所述磁性聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中引发剂与产物B的质量比为1:100~3:100。
13.根据权利要求1或12所述磁性聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中引发剂为偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈。
14.根据权利要求12所述磁性聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中反应的温度为60~80℃，反应时间为8~12h。
15.权利要求1所述磁性聚合物复合材料作为铯离子吸附剂的应用。
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| CN113861723A (zh) * | 2021-11-02 | 2021-12-31 | 中国海洋大学 | 一种改性四氧化三铁粒子及其制备方法和应用、改性四氧化三铁/环氧复合涂料及其应用 |
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| CN105327681A (zh) * | 2015-12-03 | 2016-02-17 | 中国科学院青海盐湖研究所 | 铯离子吸附剂及其制备方法 |
| CN105327682A (zh) * | 2015-12-03 | 2016-02-17 | 中国科学院青海盐湖研究所 | 一种铯离子吸附剂及其制备方法 |
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2017
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