CN108404878A - 一种磁性多孔超分子环糊精吸附材料的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁性多孔超分子环糊精吸附材料的制备方法,包括如下步骤:1)多孔超分子环糊精的制备:于惰性氛围中,向β‑环糊精、四氟对苯二腈和碳酸钾的混合物中加入有机溶剂,搅拌条件下升温至70~90℃,后恒温反应20~40小时,反应完毕后降至室温,后处理得多孔超分子环糊精;2)磁性多孔超分子环糊精的制备:将FeCl3·6H20、FeCl2·4H20和多孔超分子环糊精置于反应器中加水,后于惰性氛围中搅拌升温至80~100℃,恒温反应5~30min,后调节反应液的pH=9~11,继续搅拌反应2~5小时,将产物冷却至室温,磁滞分离得黑褐色沉淀,洗涤至中性后真空干燥,得到磁性多孔超分子环糊精。
Description
技术领域
本发明涉及一种吸附材料的制备方法,尤其涉及一种磁性多孔超分子环糊精吸附材料的制备方法及应用,属于吸附材料技术领域。
背景技术
磁性纳米粒子因其独特的性能,它在磁存储、磁性吸附剂、磁流体方面有着良好的应用。在具有一定功能的纳米材料上负载磁性功能能够极大的扩张磁性纳米材料的功能,从而可以广泛应用于生物医学、微电子、新能源、信息、催化等领域。磁性纳米粒子的功能性基团兼具靶向定位给研究注入新的活力,成为目前最热门的研究领域之一。
面对当前日益严重的环境中的水体污染问题,最难解决的就是水体中的有机物污染。吸附法通常采用的吸附剂有活性炭、硅藻土、树脂等,是常用的污水处理方式。但这些常用吸附剂存在比表面积小、分离回收困难和缺乏选择性等缺点。而环糊精(CDs)作为第二代超分子代表,具有独特的截锥结构而具有亲水性,而中间具有疏水性。因此其可以对作用的有机物进行选择,找到符合其尺寸的分子相结合,形成超分子体系,从而具有比表面积大、吸附能力强的特点,将其与磁性材料相结合的磁性纳米吸附材料同时具有顺磁性,在外加磁场条件下能够易于分离回收,重复利用,大大降低了污水的处理成本。因此,磁性环糊精纳米粒子既具有超分子的分子识别能力又具有磁学性能,在环境领域中有极大的应用潜力。
发明内容
本发明针对水体污染中所采用的现有吸附剂存在的不足,提供一种磁性多孔超分子环糊精吸附材料的制备方法及应用。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
一种磁性多孔超分子环糊精吸附材料的制备方法,包括如下步骤:
1)多孔超分子环糊精(PBCD)的制备:于惰性氛围中,向β-环糊精、四氟对苯二腈和碳酸钾的混合物中加入有机溶剂,搅拌条件下升温至70~90℃,后恒温反应20~40小时,反应完毕后降至室温,用酸性溶液洗涤产物去除碳酸钾,后冷冻干燥得多孔超分子环糊精;
2)磁性多孔超分子环糊精(MPBCD)的制备:将FeCl3·6H20、FeCl2·4H20和多孔超分子环糊精(PBCD)置于反应器中加水,后于惰性氛围中搅拌升温至80~100℃,恒温反应5~30min,后调节反应液的pH=9~11,继续搅拌反应2~5小时,将产物冷却至室温,磁滞分离得黑褐色沉淀,洗涤至中性后真空干燥,得到磁性多孔超分子环糊精(MPBCD)。
在上述技术方案的基础上,本发明还可以做如下改进。
进一步,步骤1)中β-环糊精、四氟对苯二腈和碳酸钾的质量比为(8~10):(2~5):(5~15)。
进一步,步骤2)中FeCl3·6H20、FeCl2·4H20和多孔超分子环糊精(PBCD)的质量比为(8~10):(3~4):(30~50)。
进一步,步骤1)中所述的有机溶剂为无水四氢呋喃。
进一步,步骤1)中所述的酸性溶液为无机酸溶液。
进一步,步骤1)中搅拌的转速为500~1000rpm,步骤2)中搅拌的转速为300~700rpm。
本发明还要求保护上述制备方法制得的磁性多孔超分子环糊精(MPBCD)在生态环境治理领域的应用。
用上述制备的超分子环糊精/Fe3O4磁性纳米粒子复合体去除水中污染物的方法,步骤包括:将浓度为10-100mg/L的污染物的废水中加入上述所制得的超分子环糊精/Fe3O4磁性纳米粒子复合体,超分子环糊精/Fe3O4磁性纳米粒子复合体的浓度为100-1000mg/L,在常温下振荡5min后,磁滞分离即可。分离后的复合材料用无水乙醇洗脱,超声振荡2min后,磁滞分离,再用二次水和无水乙醇分别洗涤三次,真空干燥,得到解吸附的磁纳米复合材料,进行循环再利用。
本发明的有益效果是:
1)本发明采用了四氟对苯二腈作为β-环糊精的连接桥梁,四氟对苯二腈中苯环上的氟被β-环糊精的羟基取代生成醚链,因四氟对苯二腈具有平面结构,与环糊精的环状结构聚合,形成线性结构。这种环状结构和线性结构相互作用,最后聚合成芳香基团交联的多孔磁性超分子环糊精,这种吸附材料的比表面积大,疏松多孔,吸附效果大大增加。而后在Fe3O4磁性纳米粒子上接枝了这种芳香基团交联的多孔磁性超分子环糊精,即在聚合物中增加了Fe3O4的磁性粒子,使得材料具有磁性,便于后期分离。所制得的产物与采用其他种类的交联剂连接的β-环糊精与Fe3O4的复合材料相比,本发明的方法所得的吸附材料能够利用磁性高效的吸附生态环境中的多种有机污染物及重金属,对抗生素类、激素类及其他持久性有机污染物的吸附量是商业化β-环糊精的2-5倍,对重金属Pb、As、Hg、Cd、Cr的吸附量是商业化β-环糊精的2-4倍.
2)本发明的方法制得的吸附材料成本低,在水体中稳定性和分散性良好;
3)本发明的方法所得的吸附材料在外置磁场中能够迅速实现固液分离,提高分离效率,易回收,且脱附后可重复利用,节约经济成本,操作简单,容易实现产业化应用。
附图说明
图1为实施例1所得MPBCD的红外光谱图;
图2为实施例1~3所得MPBCD的磁滞回线图;
具体实施方式
以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
实施例1:
一种磁性多孔超分子环糊精吸附材料的制备方法,包括如下步骤:
1)氮气保护下,在烧瓶中加入10gβ-环糊精、5g四氟对苯二腈和10g碳酸钾,然后向烧瓶中加入100ml的无水四氢呋喃,升温至80℃反应,以500rpm的速度搅拌25小时后反应完全,冷却至室温,后用10wt%的盐酸洗涤产物数次直至将碳酸钾去除干净(滤液采用氯化钡检测无沉淀),冷冻干燥即可得到橙色粉末PBCD;
2)称取5g FeCl3·6H20、2g FeCl2·4H20和15g步骤1)所得的PBCD置于反应器中,向反应器中加120ml水,后将反应器于氮气保护和搅拌条件下升温至80℃,保温5分钟,后向其中滴加浓氨水将反应液的pH调至11,继续搅拌反应2小时,搅拌速度为300rpm,反应过程中橙色粉末颜色逐渐加深变成黑色,冷却至室温,磁滞分离,得黑褐色沉淀,所得黑褐色沉淀用二次蒸馏水洗涤3次,再用乙醇洗涤至中性,60℃真空干燥12小时,得到MPBCD。
从图1为MPBCD的红外光谱图显示,3500-3200cm-1处很强的宽峰是0-H形成氢键的缔合峰,2930cm-1是糖环骨架上C-H的伸缩振动峰,900-1200cm-1是环糊精的特征峰,表明了环糊精结构的存在。1500cm-1和1620cm-1是苯环上的C=C的骨架变形振动峰,580cm-1为Fe-0键伸缩振动,为Fe3O4磁性纳米粒子的特征吸收峰。图2(B)为实施例1所得MPBCD的磁滞回线图,横坐标为外加磁场强度,纵坐标为单位质量磁性物质在外加磁场存在时的感应磁性大小。根据磁力矩实验得到结果为MPBCD的饱和磁化值可达到22emu/g。
实施例2:
一种磁性多孔超分子环糊精吸附材料的制备方法,包括如下步骤:
1)氮气保护下,在烧瓶中加入20gβ-环糊精、8g四氟对苯二腈和10g碳酸钾,然后向烧瓶中加入250ml的无水四氢呋喃,升温至70℃反应,以800rpm的速度搅拌20小时后反应完全,冷却至室温,后用10wt%的硝酸洗涤产物数次直至将碳酸钾去除干净(滤液采用氯化钡检测无沉淀),冷冻干燥即可得到橙色粉末PBCD;
2)称取8g FeCl3·6H20、3g FeCl2·4H20和40g步骤1)所得的PBCD置于反应器中,向反应器中加220ml水,后将反应器于氮气保护和搅拌条件下升温至100℃,保温15分钟,后向其中滴加浓氨水将反应液的pH调至9,继续搅拌反应4小时,搅拌速度为700rpm,反应过程中橙色粉末颜色逐渐加深变成黑色,冷却至室温,磁滞分离,得黑褐色沉淀,所得黑褐色沉淀用二次蒸馏水洗涤3次,再用乙醇洗涤至中性,60℃真空干燥15小时,得到MPBCD。
图2(A)为MPBCD的磁滞回线图。根据磁力矩实验得到结果为MPBCD的饱和磁化值可达到9.5emu/g。
实施例3:
一种磁性多孔超分子环糊精吸附材料的制备方法,包括如下步骤:
1)氮气保护下,在烧瓶中加入8gβ-环糊精、2.2g四氟对苯二腈和15g碳酸钾,然后向烧瓶中加入80ml的无水四氢呋喃,升温至90℃反应,以1000rpm的速度搅拌40小时后反应完全,冷却至室温,后用10wt%的硝酸洗涤产物数次直至将碳酸钾去除干净(滤液采用氯化钡检测无沉淀),冷冻干燥即可得到橙色粉末PBCD;
2)称取5g FeCl3·6H20、2g FeCl2·4H20和50g步骤1)所得的PBCD置于反应器中,向反应器中加100ml水,后将反应器于氮气保护和搅拌条件下升温至80℃,保温30分钟,后向其中滴加浓氨水将反应液的pH调至11,继续搅拌反应5小时,搅拌速度为700rpm,反应过程中橙色粉末颜色逐渐加深变成黑色,冷却至室温,磁滞分离,得黑褐色沉淀,所得黑褐色沉淀用二次蒸馏水洗涤3次,再用乙醇洗涤至中性,60℃真空干燥12小时,得到MPBCD。
图2(C)为MPBCD的磁滞回线图。根据磁力矩实验得到结果为MPBCD的饱和磁化值可达到26.5emu/g。
对比例1:
1)在烧瓶中加入2gβ-环糊精、8ml DMSO、2ml三乙胺,五分钟后加入1.345g的PMA,室温下反应16小时,用蒸馏水和丙酮洗涤产物。
2)称取1g FeCl3·6H20、0.45g FeCl2·4H20和15g步骤1)所得的产物0.9g置于反应器中,向反应器中加200ml水,后将反应器于氮气保护和搅拌条件下升温至80℃,保温5分钟,后向其中滴加浓氨水将反应液的pH调至11,继续搅拌反应2小时,水和乙醇洗涤后得到最终产物。
为了说明本发明的方法所得吸附材料的技术效果,我们将实施例1~3和对比例1所得产品进行废水中不同有机物的吸附测试,具体操作过程如下:
将0.1g各个实施例得到的产物和其他吸附剂加入到1L的污染物溶液中(其中污染物的浓度为20ppm),在200rmp条件下震荡30min,将吸附剂进行分离。检测污染物浓度并计算吸附量。
结果如表1所示:
表1各个实施例的产物、β-环糊精以及活性炭F40D对各种污染物的吸附量
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种磁性多孔超分子环糊精吸附材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)多孔超分子环糊精的制备:于惰性氛围中,向β-环糊精、四氟对苯二腈和碳酸钾的混合物中加入有机溶剂,搅拌条件下升温至70~90℃,后恒温反应20~40小时,反应完毕后降至室温,用酸性溶液洗涤产物去除碳酸钾,后冷冻干燥得多孔超分子环糊精;
2)磁性多孔超分子环糊精的制备:将FeCl3·6H20、FeCl2·4H20和多孔超分子环糊精置于反应器中加水,后于惰性氛围中搅拌升温至80~100℃,恒温反应5~30min,后调节反应液的pH=9~11,继续搅拌反应2~5小时,将产物冷却至室温,磁滞分离得黑褐色沉淀,洗涤至中性后真空干燥,得到磁性多孔超分子环糊精。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中β-环糊精、四氟对苯二腈和碳酸钾的质量比为(8~10):(2~5):(5~15)。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤2)中FeCl3·6H20、FeCl2·4H20和多孔超分子环糊精的质量比为(8~10):(3~4):(30~50)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中所述的有机溶剂为无水四氢呋喃。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中所述的酸性溶液为无机酸溶液。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中搅拌的转速为500~1000rpm,步骤2)中搅拌的转速为300~700rpm。
7.一种权利要求1-6任一项所述的制备方法制备所得的磁性多孔超分子环糊精在生态环境治理领域的应用。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180817 |
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