CN106861658A - 一种高效聚乙烯亚胺改性的多孔吸附材料的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效聚乙烯亚胺(PEI)改性的多孔吸附材料的制备方法及应用,其工艺为:采用聚乙烯亚胺(PEI)与交联剂在有机溶剂中反应,聚乙烯亚胺和交联剂的摩尔比为1:(1~10),反应温度0 ~100℃,反应时间1 ~ 48h;反应后的产物经过提纯,干燥后得到一系列基于聚乙烯亚胺(PEI)的多孔吸附材料。该吸附材料对于铜离子的吸附量为1 g吸附剂可吸附大约50 mg Cu2+;对于双酚A的吸附量为1g吸附剂可吸附大约24 mg双酚A;对于立索尔洋红颜料废水的吸附,可将废水COD值由1440降至339,且废水颜色由深红色变成无色。本发明提供一种合成工艺简单,成本低,高效、安全、经济、反应温和易操作;制备的PEI吸附材料吸附效果好,不溶于水,可回收重复利用,有利于工业废水的批量处理,适合大规模生产,具有广阔的应用和市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效聚乙烯亚胺改性的多孔吸附材料的制备方法及应用。
背景技术
吸附剂是利用其内部的多孔结构吸附废水中某种或几种污染物,回收或去除它们,从而使废水得到净化的一类材料。目前吸附剂已广泛应用于化工、环境保护、医药卫生和生物工程等领域。在化工和环境保护方面,吸附剂主要用于净化废气、回收溶剂和脱除水中的微量污染物。其应用范围包括脱色、除臭味、脱除重金属、除去各种溶解性有机物和放射性元素等。吸附剂对废水的处理,具有适应范围广、处理效果好、可回收有用物料以及吸附剂可重复使用等优点,随着现有吸附剂性能的不断完善以及新型吸附剂的研制成功,它在水处理中的应用前景将更加广阔。
聚乙烯亚胺(PEI)是一种具有多功能的高分子材料,根据结构可分为直链型聚乙烯亚胺和支化聚乙烯亚胺。由于聚乙烯亚胺(PEI)分子链上都拥有大量的胺基N原子,使其具有很强的亲质子性,因此PEI也称为一种阳离子聚电解质。由于PEI分子中含有大量的伯胺、仲胺、叔胺基团,使其在中性或碱性条件下与金属离子具有很强的螯合配位作用,是一种新型的重金属离子捕集剂。另外,PEI在高背景碱土金属离子环境中也表现出了很好的吸附性能,其特性已引起了国内外研究者的广泛关注,正在开拓在重金属离子吸附分离领域中的研究和应用。交联改性PEI是非常高效的吸附剂,可有效去除水体中的金属离子污染物。而PEI衍生物具有比其它天然聚合物有更高的配位吸附能力。PEI作为一种非常理想的高分子骨架,可以用来制备高分子染料;并且在造纸、催化、絮凝剂、纤维改性、基因转染、生物医学等领域有广泛的应用。
目前,PEI已开发成为一类新型的吸附材料,具有亲水性、环境友好、吸附容量大、精确性好、可修饰化程度高等诸多优点,逐渐受到了人们的青睐。刘粤丽等在文献《交联聚乙烯亚胺螯合树脂对锌离子的吸附研究》(环境污染治理技术与设备,Vol. 4,2003年)研究了涂覆在聚丙烯腈(PAN)大孔树脂上的活性组分PEI对溶液中锌离子的吸附性能,表明此交联螯合树脂具有对Zn2+ 吸附能力强、吸附速度快等特点,可望用于含锌废水的处理及回收。Chen 等在文献《Highly stable and covalently functionalized magneticnanoparticles by polyethyleneimine for Cr(VI)adsorption in aqueous solution》(RSC Adv,Vol. 5,2015年)研究了聚乙烯亚胺功能化磁性纳米微粒对水中 Cr(VI)的吸附性能,结果表明该吸附剂对水中 Cr(VI)具有较高吸附量,吸附速率快,并具有较高耐酸碱能力,易再生。Gao等在文献《Studies on chelating adsorption properties of novelcomposite material polyethyleneimine/silica gel for heavy-metal ions》(AppliedSurface Science,Vol. 253,2006年)报道了将PEI偶联接枝在硅胶微粒表面, 制备了化学键联的复合材料 PEI/SiO2,其对Zn2+、Cd2+具有强的螯合吸附能力,且配合速度较快。采用螯合电导滴定法研究了PEI与Zn2+、Cd2+的配合过程,PEI与Zn2+、 Cd2+等离子都能定量地形成四配位的水溶性螯合物。Li等在文献《Network structures and reaction behavior in theatom transfer radical polymerization systems with different curing densities》(Polymer Materials Science and Engineering,Vol. 25,2009年)中报道了具有丰富氨基基团大分子链的水溶性聚乙烯亚胺(PEI)交联到羟乙基纤维素(HEC)上,并对Fe3O4颗粒进行包埋,制备出了稳定性好、可循环利用、具有丰富的羟基和氨基功能基团、能在磁场下快速分离的磁性羟乙基纤维素-聚乙烯亚胺( Fe3O4-HEC-PEI) 吸附材料。Duru等在文献《Adsorption of heavy-metal ions on poly(ethylene imine)-immobilized poly(methyl methacrylate) microspheres》(Journal of Applied Polymer Science,Vol.81,2001年)中报道了将PEI与PMMA接枝,研究对Cu2+、Cd2+、Pd2+的吸附性能,通过将PEI接枝在PMMA上可以大大地提高PMMA对金属离子的吸附容量。以上研究大多采用将PEI接枝到高分子链上的方法来制备吸附材料,而对于采用小分子交联剂与PEI通过化学反应交联制备吸附材料的方法很少有报道。通过该方法制备的吸附材料具有多孔结构;同时分子结构中含有大量的伯氨、仲氨和叔氨基团,氮含量很高,具有很强的亲质子性,可应用于废水中重金属离子、有机物的吸附。此外,制备的吸附材料具有交联网状结构,不溶于水,吸附完成后容易分离与回收利用。本发明合成工艺简单,成本低,高效、安全、经济、反应温和易操作;制备的PEI吸附材料吸附效果好,不溶于水,可回收重复利用,有利于工业废水的批量处理,适合大规模生产。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种成本低、合成工艺简单、反应温和易操作、收率高、吸附效果好、可回收重复利用的多孔吸附材料的制备方法,具有广阔的应用和市场前景。
本发明之工艺的技术方案如下:
采用聚乙烯亚胺(PEI)与交联剂在有机溶剂中反应,聚乙烯亚胺和交联剂的摩尔比为1:(1~10),反应温度0 ~100℃ ,反应时间1 ~ 48h;反应后的产物经过提纯,干燥得到多孔吸附剂。下面以聚乙烯亚胺(PEI)与三聚氯氰的反应为例,其合成路线如下:
上述的聚乙烯亚胺(PEI)改性制备多孔吸附材料的工艺中,所述聚乙烯亚胺(PEI)、交联剂摩尔比优选为:1:(1~10)。
上述的聚乙烯亚胺(PEI)改性制备多孔吸附材料的工艺中,所述的交联剂可以为三聚氯氰、联苯二苄氯、对苯二氯苄、间二氯苄、邻二氯苄、2,5-二氯硝基苯、3,4-二氯硝基苯、2,3-二氯硝基苯、2,4-二氯硝基苯、2,6-二氯硝基苯、3,5-二氯硝基苯、2,5-二溴硝基苯、2,4-二溴硝基苯、1,3-二氯-4,6-二硝基苯、1,5-二氯-2,4-二硝基苯、1,2-二氯-4,5-二硝基苯、2,3-二氯-5,6-二氰对苯醌、2,6-二溴-4-氰基苯、2,6-二氯苯腈、2,4-二氯-5-氰基嘧啶、1,5-二氟-2,4-二硝基苯、环氧氯丙烷、环氧溴丙烷、聚丙二醇二缩水甘油醚、聚乙二醇二缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、双酚A二缩水甘油醚、新戊二醇二缩水甘油醚、N,N,N,N,-四环氧丙基-4,4-二氨基二苯甲烷、(S)-(+)-环氧氯丙烷、二氧化乙烯基环己烯、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、异氰尿酸三缩水甘油酯、二环戊二烯环氧化物、甲苯二异氰酸酯、4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、3-异氰酸酯基亚甲基三甲基环已基二异氰酸酯、 多亚甲基多苯基多异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、六亚甲基-1,6-二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸酯、萘二异氰酸酯、甲基环已基二异氰酸酯、已二异氰酸酯、对苯二异硫氰酸酯、四氟对苯二腈,但是优选包括三聚氯氰、联苯二苄氯、对苯二氯苄、间二氯苄、邻二氯苄。
上述的聚乙烯亚胺(PEI)改性制备多孔吸附材料的工艺中,所述的溶剂可以是四氢呋喃、1,4-环氧二环、DMF、甲醇、乙醇、DMSO。
上述的聚乙烯亚胺(PEI)改性制备多孔吸附材料的工艺中,所述反应温度优选为0~ 100℃。
上述的聚乙烯亚胺(PEI)改性制备多孔吸附材料的工艺中,所述反应时间优选为1~ 48h。
显著特点:本发明采用聚乙烯亚胺(PEI)与交联剂的反应,利用聚乙烯亚胺(PEI)环保、无毒性以及交联剂骨架的刚性,有利于形成多孔材料。本发明合成工艺简单,成本低,高效、安全、经济、反应温和易操作;制备的PEI吸附材料吸附效果好,不溶于水,可回收重复利用,有利于工业废水的批量处理,适合大规模生产。
具体实施方式
结合实施实例,详细说明本发明的实施方式,但本发明的技术范围不受限于下述实施方式,在不改变其要点的前提下,可做各种改变进行实施。
实施例1
基于聚乙烯亚胺(PEI) 和三聚氯氰的多孔材料的制备:在加热回流反应条件下,将10g PEI加到500mL三口烧瓶中,并用四氢呋喃充分溶解。搅拌并加热,待内温达到70℃时,开始缓慢滴加溶有三聚氯氰的四氢呋喃溶液到反应瓶里,滴加完毕,保温反应24h。反应结束,将反应液倒入冰浴中沉淀得粗产品。粗产品经多次处理后,干燥得产物,产率为85.5%。
实施例2
基于聚乙烯亚胺(PEI) 和联苯二苄氯的多孔材料的制备:在加热回流反应条件下,将10 g PEI加到500mL三口烧瓶中,并用四氢呋喃充分溶解。搅拌并加热,待内温达到70℃时,开始缓慢滴加溶有联苯二苄氯的四氢呋喃溶液到反应瓶里,滴加完毕,保温反应24h。反应结束,将反应液倒入冰浴中沉淀得粗产品。粗产品经多次处理后,干燥得产物,产率为65%。
实施例3
根据实施例1的产物,将其对Cu2+进行吸附实验:称取1g吸附剂于离心管中,并加入100ml 100 mg/L的Cu2+原液,常温下搅拌,吸附0.5 h后,对其清液进行原子吸收测试。吸附量为:1 g吸附剂吸附48.04 mg Cu2+。
实施例4
根据实施例2的产物,将其对Cu2+进行吸附实验:称取1g吸附剂于离心管中,并加入100ml 100mg/L的Cu2+原液,常温下搅拌,吸附0.5 h后,对其清液进行原子吸收测试。吸附量为:1 g吸附剂吸附43.46 mg Cu2+。
实施例5
根据实施例1的产物,将其对双酚A进行吸附实验:首先配置标准的双酚A溶液:称取10mg多孔吸附剂与离心管中,并向管中移取10 ml双酚A标准溶液,室温搅拌吸附1 h。过滤后,取滤液和双酚A标准液分别做紫外吸收光谱测试,结果表明该多孔吸附剂的吸附率可达70.7%,吸附量为:1g吸附剂吸附23.73 mg双酚A。
实施例6
根据实施例1的产物,将其对立索尔洋红颜料生产废水进行吸附实验:称取5 mg吸附剂于离心管中,并加入5 mL废水原液,常温下搅拌吸附1h后,对清液测其COD值。废水的初始COD值是1440,经吸附剂吸附后COD值降至339,且废水颜色由深红色变成无色。
Claims (7)
1.利用聚乙烯亚胺(PEI)和交联剂反应制备多孔吸附材料的方法,该方法的特征是采用了以下操作步骤:
采用聚乙烯亚胺(PEI)与交联剂在有机溶剂中反应,聚乙烯亚胺和交联剂的摩尔比为1:(1~10),反应温度0 ~100℃ ,反应时间1 ~ 48h;反应后的产物经过提纯,干燥后得到一系列基于聚乙烯亚胺(PEI)的多孔吸附材料。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征是:利用聚乙烯亚胺(PEI)与具有反应活性的交联剂反应制备基于聚乙烯亚胺(PEI)的多孔吸附材料。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:聚乙烯亚胺(PEI)和交联剂的摩尔比优选为:1:(1~10)。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述的交联剂可以为三聚氯氰、联苯二苄氯、对苯二氯苄、间二氯苄、邻二氯苄、2,5-二氯硝基苯、3,4-二氯硝基苯、2,3-二氯硝基苯、2,4-二氯硝基苯、2,6-二氯硝基苯、3,5-二氯硝基苯、2,5-二溴硝基苯、2,4-二溴硝基苯、1,3-二氯-4,6-二硝基苯、1,5-二氯-2,4-二硝基苯、1,2-二氯-4,5-二硝基苯、2,3-二氯-5,6-二氰对苯醌、2,6-二溴-4-氰基苯、2,6-二氯苯腈、2,4-二氯-5-氰基嘧啶、1,5-二氟-2,4-二硝基苯、环氧氯丙烷、环氧溴丙烷、聚丙二醇二缩水甘油醚、聚乙二醇二缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、双酚A二缩水甘油醚、新戊二醇二缩水甘油醚、N,N,N,N,-四环氧丙基-4,4-二氨基二苯甲烷、(S)-(+)-环氧氯丙烷、二氧化乙烯基环己烯、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、异氰尿酸三缩水甘油酯、二环戊二烯环氧化物、甲苯二异氰酸酯、4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、3-异氰酸酯基亚甲基三甲基环已基二异氰酸酯、 多亚甲基多苯基多异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、六亚甲基-1,6-二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸酯、萘二异氰酸酯、甲基环已基二异氰酸酯、已二异氰酸酯、对苯二异硫氰酸酯、四氟对苯二腈,但是优选包括三聚氯氰、联苯二苄氯、对苯二氯苄、间二氯苄、邻二氯苄。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述的溶剂可以是四氢呋喃、1,4-环氧二环、DMF、甲醇、乙醇、DMSO。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述反应温度优选为0 ~ 100℃。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述反应时间优选为1 ~ 48h。
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