CN107570121A - 两性多糖／交联型氧化石墨烯双网络复合水凝胶吸附材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种两性多糖/交联型氧化石墨烯双网络复合水凝胶吸附材料及其制备方法。首先，将氧化石墨烯与多糖和两性离子单体(或者阳离子单体和阴离子单体的混合物)混合均匀后，通过微波辅助接枝共聚的方式制备单网络复合水凝胶；然后将单网络复合水凝胶在多元氨或者端氨基聚合物的水溶液中将氧化石墨烯交联后得到双网络复合水凝胶吸附材料。本发明制备的双网络复合水凝胶力学性能优异，可以同时去除重金属离子和有机污染物，而且对重金属离子和有机污染物均具有较高的吸附量和较快的吸附速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种两性多糖/交联型氧化石墨烯双网络复合水凝胶吸附材料及其制备方法，属于环境功能材料领域。
背景技术
由于工业废水排放、城市垃圾废弃物的填埋处置等各种因素的影响，环境中重金属离子和有机物共存的复合污染已经成为环境污染的主要形式。这些污染物既可以造成生态环境的恶化，还可能进入食物链，从而对人体健康造成危害。因此，研发能够同时去除重金属和有机污染物的高效处理方法与技术，具有十分重要的意义。
目前，同时去除重金属离子和有机污染物的处理方法有：混凝沉淀法、高级氧化法、膜分离法和吸附法等。其中，吸附法不仅可以高效降低污染物浓度，还可以将吸附浓缩后的污染物回收，吸附材料再生后可以重复使用，无二次污染，因而备受关注。
当前在水处理领域普遍使用的吸附材料包括活性炭、黏土矿物、分子筛等。由于重金属离子和有机污染物的性质不同，普通的吸附材料不能同时有效地去除重金属离子和有机污染物。采用天然高分子为原料制备的水凝胶吸附材料可以同时吸附重金属和有机污染物，而且天然高分子储量丰富，可以生物降解，不会造成二次污染。由于一般的水凝胶通过传统的共价交联形成无规则的交联点，缺乏有效的能量耗散机制，因此力学性能较差，限制了其应用。为了提高水凝胶的力学性能，双网络水凝胶和纳米复合水凝胶成为研究热点。
石墨烯具有超大比表面积、优异的力学性能等特点，但是石墨烯容易发生团聚，造成其比表面积减小。氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，其单片层上广泛分布着羟基、羧基、环氧基等含氧基团，使其具有良好的分散性，在水中容易形成稳定的悬浮液。而且这些官能团对废水中的重金属和有机物具有良好的吸附作用。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种两性多糖/交联型氧化石墨烯双网络复合水凝胶吸附材料及其制备方法。本发明制备的双网络复合水凝胶力学性能优异，可以同时去除重金属离子和有机污染物，而且对重金属离子和有机污染物均具有较高的吸附量和较快的吸附速度。
技术方案：
本发明的两性多糖/交联型氧化石墨烯双网络复合水凝胶吸附材料及其制备方法，其特征在于，该制备方法包含如下步骤：(1)将多糖与溶剂按照质量比1∶5～100的比例混合，然后搅拌溶解后，加入两性离子单体(或者阳离子单体和阴离子单体的混合物)、引发剂、交联剂，搅拌溶解后得到均匀溶液；(2)按照改进的Hummers法制备氧化石墨烯，然后将氧化石墨烯超声分散在去离子水中，得到氧化石墨烯分散液；(3)将步骤(1)所得到的均匀溶液加入到步骤(2)所得的氧化石墨烯分散液中，氧化石墨烯与多糖的质量比为1∶1～80，混合均匀后，置于微波反应器中。调节微波功率为100～800瓦，反应时间为2～30分钟，进行接枝聚合。将得到的单网络复合水凝胶在纯净水中浸泡、洗涤并冷冻干燥后得到干凝胶；(4)将步骤(3)所得到的干凝胶在多元氨或者端氨基聚合物的水溶液中浸泡，在20～90℃下反应2～24小时，得到双网络复合水凝胶。
其中，多糖是甲壳素、纤维素、淀粉中的一种。两性离子单体是[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱中的一种；阳离子单体是甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵或者丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的一种；阴离子单体是甲基丙烯酸钠或者丙烯酸钠中的一种；两性离子单体(或者阳离子单体和阴离子单体的混合物)的质量与多糖的质量比为1∶0.05～5。引发剂是硝酸铈铵、过硫酸钾、过硫酸铵中的一种，引发剂的用量是多糖和两性离子单体总质量的0.05％～8％。交联剂是N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，交联剂的用量是多糖和两性离子单体总质量的0.02％～6％。溶剂是NaOH/尿素的水溶液或者蒸馏水中的一种。多元氨为乙二胺、丙二胺、丁二胺或者己二胺中的一种，端氨基聚合物为聚乙烯亚胺或者超支化聚乙烯亚胺中的一种。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明采用天然多糖为原料，该原料来源广泛、价格低廉。而且多糖具有生物可降解性，且本身无毒，不会对水体产生二次污染。
2.本发明采用微波辅助接枝共聚的方法制备双网络复合水凝胶，可以有效提高两性离子的接枝率，从而提高了双网络复合水凝胶的吸附性能。
3.本发明制备的双网络复合水凝胶力学性能优异，可以同时去除重金属离子和有机污染物，而且对重金属离子和有机污染物均具有较高的吸附量和较快的吸附速度。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
将0.1g纤维素在2.5g 7wt％NaOH/12wt％尿素的水溶液中低温搅拌溶解后，加入1g[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵、0.04g硝酸铈铵、0.03gN，N’-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌溶解后得到均匀溶液。将该均匀溶液加入到氧化石墨烯分散液中，氧化石墨烯与纤维素的质量比为1∶10，混合均匀后，置于微波反应器中。调节微波功率为800瓦，反应时间为3分钟，进行接枝聚合。将得到的单网络复合水凝胶在纯净水中浸泡、洗涤并冷冻干燥后得到干凝胶。将上述干凝胶在己二胺的水溶液中浸泡，在80℃下反应24小时，得到双网络复合水凝胶吸附材料。
实施例2
将0.5g淀粉溶解在10mL水中，加入1g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和1g甲基丙烯酸钠、0.1g过硫酸钾、0.075g N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌溶解后得到均匀溶液。将该均匀溶液加入到氧化石墨烯分散液中，氧化石墨烯与淀粉的质量比为1∶20，混合均匀后，置于微波反应器中。调节微波功率为400瓦，反应时间为5分钟，进行接枝聚合。将得到的单网络复合水凝胶在纯净水中浸泡、洗涤并冷冻干燥后得到干凝胶。将上述干凝胶在超支化聚乙烯亚胺的水溶液中浸泡，在80℃下反应12小时，得到双网络复合水凝胶吸附材料。
Claims (7)
1.两性多糖/交联型氧化石墨烯双网络复合水凝胶吸附材料及其制备方法，其特征在于，该制备方法包含如下步骤：
(1)将多糖与溶剂按照质量比1∶5～100的比例混合，然后搅拌溶解后，加入两性离子单体(或者阳离子单体和阴离子单体的混合物)、引发剂、交联剂，搅拌溶解后得到均匀溶液。
(2)按照改进的Hummers法制备氧化石墨烯，然后将氧化石墨烯超声分散在去离子水中，得到氧化石墨烯分散液。
(3)将步骤(1)所得到的均匀溶液加入到步骤(2)所得的氧化石墨烯分散液中，氧化石墨烯与多糖的质量比为1∶1～80，混合均匀后，置于微波反应器中。调节微波功率为100～800瓦，反应时间为2～30分钟，进行接枝聚合。将得到的单网络复合水凝胶在纯净水中浸泡、洗涤并冷冻干燥后得到干凝胶。
(4)将步骤(3)所得到的干凝胶在多元氨或者端氨基聚合物的水溶液中浸泡，在20～90℃下反应2～24小时，得到双网络复合水凝胶。
2.根据权利要求1所述的两性多糖/交联型氧化石墨烯双网络复合水凝胶吸附材料及其制备方法，其特征在于，多糖是甲壳素、纤维素、淀粉中的一种。
3.根据权利要求1所述的两性多糖/交联型氧化石墨烯双网络复合水凝胶吸附材料及其制备方法，其特征在于，两性离子单体是[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱中的一种；阳离子单体是甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵或者丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的一种；阴离子单体是甲基丙烯酸钠或者丙烯酸钠中的一种；两性离子单体(或者阳离子单体和阴离子单体的混合物)的质量与多糖的质量比为1∶0.05～5。
4.根据权利要求1所述的两性多糖/交联型氧化石墨烯双网络复合水凝胶吸附材料及其制备方法，其特征在于，引发剂是硝酸铈铵、过硫酸钾、过硫酸铵中的一种，引发剂的用量是多糖和两性离子单体总质量的0.05％～8％。
5.根据权利要求1所述的两性多糖/交联型氧化石墨烯双网络复合水凝胶吸附材料及其制备方法，其特征在于，交联剂是N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，交联剂的用量是多糖和两性离子单体总质量的0.02％～6％。
6.根据权利要求1所述的两性多糖/交联型氧化石墨烯双网络复合水凝胶吸附材料及其制备方法，其特征在于，溶剂是NaOH/尿素的水溶液或者蒸馏水中的一种。
7.根据权利要求1所述的两性多糖/交联型氧化石墨烯双网络复合水凝胶吸附材料及其制备方法，其特征在于，多元氨为乙二胺、丙二胺、丁二胺或者己二胺中的一种，端氨基聚合物为聚乙烯亚胺或者超支化聚乙烯亚胺中的一种。
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