CN109012629B - 一种制备磁性羧甲基β-环糊精聚合物的方法及其应用 - Google Patents

一种制备磁性羧甲基β-环糊精聚合物的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种磁性羧甲基β‑环糊精聚合物的制备方法及其应用。首先将β‑环糊精羧基化，再将羧甲基β‑环糊精与交联剂和催化剂置于溶剂中反应得到羧甲基β‑环糊精聚合物，再将羧甲基β‑环糊精聚合物与一定摩尔比的柠檬酸三钠、2‑乙基己酸亚锡、甲醇、FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O置于三口烧瓶中，选择25％NH3·H20作为碱源，使体系在氮气保护下进行反应，反应完毕得到磁性羧甲基β‑环糊精聚合物。本发明使用共沉淀法将四氧化三铁成功地连接到羧甲基β‑环糊精聚合物上，反应得到的聚合物不仅具有磁性，同时可以快速吸附环境中的内分泌干扰物质。

Description

一种制备磁性羧甲基β-环糊精聚合物的方法及其应用
技术领域
本发明涉及环保材料技术领域，具体是涉及一种制备磁性羧甲基β-环糊精聚合物的方法及其应用。
背景技术
内分泌干扰物是一种外源性干扰内分泌系统的化学物质，它们通过降水、地表径流、污水排放等进入水体造成水环境污染。内分泌干扰物在环境中的浓度很低(ng/L)，但可造成很高的生物毒性。目前对于内分泌干扰物的去除使用较多的是高级氧化和吸附，但高级氧化技术的影响因素较多，且成本较高；常用的吸附剂是活性炭，但活性炭的再生费用较高，存在一定的局限性。同时，内分泌干扰物在环境中存在的浓度很低，实际调研测定时，一般需要进行富集等前处理后才能测定，而目前常用的富集材料有C18和HLB，操作过程较为繁琐。
β-环糊精是一种具有外亲水、内疏水结构的环状低聚糖，可与污染物形成主客体复合物，将污染物包裹在结构内部，对污染物有很好的吸附性。同时，由于β-环糊精廉价易得并具有一定的水溶性，因此被广泛应用。然而β-环糊精在水中有一定的溶解度，使得其回收利用存在一定困难和损失。
四氧化三铁纳米粒子是一种常用的磁性纳米材料，因具有无毒无害、比表面积高、价廉易得等优势生物医学等领域广阔具有广泛的应用前景。同时，由于磁性吸附材料易于回收利用，在工业水处理方面具有独特的优势。因此，本发明合成了一种磁性β-环糊精聚合物，既可以作为吸附剂去除水体中的内分泌干扰物，又可以当做前处理材料对于水体中低浓度的内分泌干扰物进行富集，是一种非常有前景的水处理材料。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种制备磁性羧甲基β-环糊精聚合物的方法及其应用，能够更好地去除以及富集水体中的内分泌干扰物。
本发明的技术方案如下：
一种制备磁性羧甲基β-环糊精聚合物的方法，包括如下步骤：
a.羧甲基β-环糊精的合成：
将β-环糊精与15-20％氯乙酸在NaOH溶液中反应，反应结束后，用盐酸将pH调至5-7，再加入过量甲醇，得到大量白色沉淀，将沉淀滤出，并置于真空干燥箱中，温度50-80℃，时间10-20小时，得到羧甲基β-环糊精(CM-β-CD)；
b.羧甲基环糊精聚合物的合成：
选择体积比为7-10:1的四氢呋喃与N,N-二甲基甲酰胺的混合液作为溶剂，将羧甲基β-环糊精与交联剂和催化剂于溶剂中反应，反应结束后，将反应体系冷却，用溶剂和水洗涤反应产物，除去多余的反应物，将产物进行冷冻干燥得到羧甲基β-环糊精聚合物；
c.磁性羧甲基环糊精聚合物的合成：
将一定摩尔比的FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O置于三口烧瓶中，选择25％NH3·H2O作为碱源，再加入羧甲基β-环糊精聚合物，所述FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O的摩尔比为1:2；FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O的质量和与羧甲基β-环糊精聚合物的质量比为0.5-3:1，反应在氮气气氛中剧烈搅拌，反应结束后，将反应体系冷却，用磁铁将产物与未反应的反应物分离，用蒸馏水洗五次，将产物干燥，得到磁性羧甲基β-环糊精聚合物。
进一步地，在上述方案中，
所述步骤a中：反应时间为5-10小时，反应温度为50-100℃；
所述步骤b中：氮气保护下的反应时间为24-96小时，反应温度为50-100℃；
所述步骤c中：反应温度为50-100℃时加入25％NH3·H2O，反应时间为1-10小时；反应在氮气气氛中剧烈搅拌。
进一步地，在上述方案中，所述交联剂为四氟对苯二甲腈。
进一步地，在上述方案中，所述催化剂为K2CO3。
进一步地，在上述方案中，所述羧甲基β-环糊精与交联剂、催化剂的质量比为2:1:0.3。
进一步地，在上述方案中，所述c干燥步骤中，将反应产物置于真空干燥箱中，温度50-100℃，干燥12-48小时。
在上述方案中，作为一种改进，在所述步骤c中，反应体系里还可以加入柠檬酸三钠、2-乙基己酸亚锡、甲醇，所述柠檬酸三钠、2-乙基己酸亚锡、甲醇、FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O的摩尔比为1:0.3:0.5:1:2。加入柠檬酸三钠、2-乙基己酸亚锡、甲醇之后，能够缩短反应时间，将原本的1小时缩短至20分钟，且可以将反应温度降低至76℃，降低了能耗。最重要的是，本方法所制备的磁性羧甲基β-环糊精聚合物对内分泌干扰物的吸附和富集效果更佳。
上述方法制备得到的磁性β-环糊精聚合物在吸附和富集内分泌干扰物中的应用，本发明的磁性β-环糊精聚合物既可以作为吸附剂去除水体中的内分泌干扰物，又可作为前处理材料对于水体中低浓度的内分泌干扰物进行富集萃取。
进一步地，所述内分泌干扰物为雌三醇或炔雌醇，对这两种成分的富集和去除效果较佳。
本发明的有益效果是：本发明的制备方法相较于现有技术来说，具有新颖独特，工艺流程简单，易于操作且节约成本的优势；本发明制成的磁性羧甲基β-环糊精聚合物不仅能快速吸附和富集各种内分泌干扰物，应用范围较广，而且具有磁性，便于回收利用。此外，此种磁性聚合物的再生性能良好，能多次重复利用。
具体实施方式
实施例1：
制备磁性羧甲基β-环糊精聚合物：
1)9gβ-环糊精与7.14gNaOH溶于20ml去离子水中，90℃加热搅拌5min后将氯乙酸溶液(17.46溶于20ml去离子水中)滴入三口烧瓶中(5min内滴加完毕)；反应3小时后冷却至室温，用盐酸将体系调节至PH＝5，加入适量甲醇后产生白色沉淀，继续及甲醇直至白色沉淀不再产生，过滤后将沉淀于80℃下真空干燥；
2)将3g羧甲基β-环糊精、1.5g四氟对苯二甲腈、4g K2CO3加入100ml耐压瓶中，加入55ml四氢呋喃和5.5mlN,N-二甲基甲酰胺，将混合物进行超声；
3)将耐压瓶交替3次抽真空1min、充氮气1min，使反应置于氮气环境中进行，充气完成后将耐压瓶的塞子向上拔起，将瓶子拧紧；
4)反应在氮气保护下，在油浴锅中进行反应，温度为85℃反应时间为48h，
5)反应结束后，先用一定浓度的盐酸洗涤产物，除去K2CO3，待气泡释放完毕后，用蒸馏水洗涤固体，调节pH至中性，再用四氢呋喃进行清洗，待洗涤后的上清液澄清时，再用二氯甲烷洗涤一次，将产物进行冷冻干燥，得到β-环糊精聚合物。
6)将1g羧甲基β-环糊精聚合物和0.28g(1.4mmol)FeCl2·4H2O和0.76g(2.8mmol)FeCl3·6H2O加入100ml三口烧瓶中，加入40ml已充氮气的蒸馏水中，加热至80℃，加入5ml25％NH3·H20,继续加热至90℃后，反应1h。
7)反应结束后，将反应体系冷却，用磁铁将产物与未反应的反应物分离，用蒸馏水洗涤五次，将产物置于真空干燥箱中，温度85℃，干燥12小时，得到磁性羧甲基β-环糊精聚合物(MNP-P-CDP)。
实施例2：
制备磁性羧甲基β-环糊精聚合物：
1)9gβ-环糊精与7.14gNaOH溶于20ml去离子水中，90℃加热搅拌5min后将氯乙酸溶液(17.46溶于20ml去离子水中)滴入三口烧瓶中(5min内滴加完毕)；反应3小时后冷却至室温，用盐酸将体系调节至PH＝5，加入适量甲醇后产生白色沉淀，继续及甲醇直至白色沉淀不再产生，过滤后将沉淀于80℃下真空干燥；
2)将3g羧甲基β-环糊精、1.5g四氟对苯二甲腈、4g K2CO3加入100ml耐压瓶中，加入55ml四氢呋喃和5.5mlN,N-二甲基甲酰胺，将混合物进行超声；
3)将耐压瓶交替3次抽真空1min、充氮气1min，使反应置于氮气环境中进行，充气完成后将耐压瓶的塞子向上拔起，将瓶子拧紧；
4)反应在氮气保护下，在油浴锅中进行反应，温度为85℃反应时间为48h，
5)反应结束后，先用一定浓度的盐酸洗涤产物，除去K2CO3，待气泡释放完毕后，用蒸馏水洗涤固体，调节pH至中性，再用四氢呋喃进行清洗，待洗涤后的上清液澄清时，再用二氯甲烷洗涤一次，将产物进行冷冻干燥，得到β-环糊精聚合物。
6)将1g羧甲基β-环糊精聚合物和0.28g(1.4mmol)FeCl2·4H2O和0.76g(2.8mmol)FeCl3·6H2O加入100ml三口烧瓶中，加入40ml已充氮气的蒸馏水中，再加入1.42g(1.4mmol)柠檬酸三钠、0.17g(0.42mmol)2-乙基己酸亚锡、0.023g(0.7mmol)甲醇，加热至70℃，加入5ml25％NH3·H20，继续加热至76℃后，反应20min。
7)反应结束后，将反应体系冷却，用磁铁将产物与未反应的反应物分离，用蒸馏水洗涤五次，将产物置于真空干燥箱中，温度85℃，干燥12小时，得到磁性羧甲基β-环糊精聚合物(MNP-P-CDP)。
实施例3：
实施例1制备的磁性羧甲基β-环糊精聚合物(MNP-P-CDP)吸附雌三醇：
将100mg实施例1所得磁性羧甲基β-环糊精聚合物MNP-P-CDP与50ml0.1mmol雌三醇溶液混合，用注射器取出样品后，用滤膜过滤，通过高效液相色谱测定样品中雌三醇的剩余浓度，10min内可去除溶液中90％的雌三醇。
用乙醇浸泡超声磁性β-环糊精聚合物，使其再生，继续进行吸附实验，循环三次，样品性能几乎没有损失。
实施例4：
实施例1制备的磁性羧甲基β-环糊精聚合物(MNP-P-CDP)吸附炔雌醇：
将100mg实施例1所得磁性羧甲基β-环糊精聚合物MNP-P-CDP与50ml0.1mmol炔雌醇溶液混合，用注射器取出样品后，用滤膜过滤，通过高效液相色谱测定样品中雌三醇的剩余浓度，10min内可去除溶液中90％的炔雌醇。
用乙醇浸泡超声磁性羧甲基β-环糊精聚合物，使其再生，继续进行吸附实验，循环三次，样品性能几乎没有损失。
实施例5：
实施例2制备的磁性羧甲基β-环糊精聚合物(MNP-P-CDP)吸附雌三醇：
将100mg实施例2所得磁性羧甲基β-环糊精聚合物MNP-P-CDP与50ml0.1mmol雌三醇溶液混合，用注射器取出样品后，用滤膜过滤，通过高效液相色谱测定样品中雌三醇的剩余浓度，10min内可去除溶液中92％的雌三醇。
用乙醇浸泡超声磁性β-环糊精聚合物，使其再生，继续进行吸附实验，循环三次，样品性能几乎没有损失。
实施例6：
实施例2制备的磁性羧甲基β-环糊精聚合物(MNP-P-CDP)吸附炔雌醇：
将100mg实施例2所得磁性羧甲基β-环糊精聚合物MNP-P-CDP与50ml0.1mmol炔雌醇溶液混合，用注射器取出样品后，用滤膜过滤，通过高效液相色谱测定样品中雌三醇的剩余浓度，10min内可去除溶液中93％的炔雌醇。
用乙醇浸泡超声磁性羧甲基β-环糊精聚合物，使其再生，继续进行吸附实验，循环三次，样品性能几乎没有损失。
实施例7：
实施例1制备的磁性羧甲基β-环糊精聚合物(MNP-P-CDP)富集雌三醇：
将100mg实施例1所得磁性羧甲基β-环糊精聚合物MNP-P-CDP置于1L浓度为0.1ppt的雌三醇中，搅拌30min后，用磁铁吸住MNP-P-CDP，将富集完成的雌三醇溶液倒掉，加入10ml甲醇进行洗脱，通过LC-MS测定样品中雌三醇的回收率，回收率可达90％-102％。
将洗脱结束的MNP-P-CDP继续进行富集实验，循环三次，样品性能几乎没有损失。
实施例8：
实施例1制备的磁性羧甲基β-环糊精聚合物(MNP-P-CDP)富集炔雌醇：
将100mg实施例1所得磁性羧甲基β-环糊精聚合物MNP-P-CDP置于1L浓度为0.1ppt的炔雌醇中，搅拌30min后，用磁铁吸住MNP-P-CDP，将富集完成的炔雌醇溶液倒掉，加入10ml甲醇进行洗脱，通过LC-MS测定样品中炔雌醇的回收率，回收率可达90％-102％。
将洗脱结束的MNP-P-CDP继续进行富集实验，循环三次，样品性能几乎没有损失。
实施例9：
实施例2制备的磁性羧甲基β-环糊精聚合物(MNP-P-CDP)富集雌三醇：
将100mg实施例2所得磁性羧甲基β-环糊精聚合物MNP-P-CDP置于1L浓度为0.1ppt的雌三醇中，搅拌30min后，用磁铁吸住MNP-P-CDP，将富集完成的雌三醇溶液倒掉，加入10ml甲醇进行洗脱，通过LC-MS测定样品中雌三醇的回收率，回收率可达93％-102％。
将洗脱结束的MNP-P-CDP继续进行富集实验，循环三次，样品性能几乎没有损失。
实施例10：
实施例2制备的磁性羧甲基β-环糊精聚合物(MNP-P-CDP)富集炔雌醇：
将100mg实施例2所得磁性羧甲基β-环糊精聚合物MNP-P-CDP置于1L浓度为0.1ppt的炔雌醇中，搅拌30min后，用磁铁吸住MNP-P-CDP，将富集完成的炔雌醇溶液倒掉，加入10ml甲醇进行洗脱，通过LC-MS测定样品中炔雌醇的回收率，回收率可达94％-103％。
将洗脱结束的MNP-P-CDP继续进行富集实验，循环三次，样品性能几乎没有损失。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种制备磁性羧甲基β-环糊精聚合物的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.将β-环糊精与15-20%氯乙酸在NaOH溶液中反应，反应结束后，用盐酸将pH调至5-7，再加入过量甲醇，得到大量白色沉淀，将沉淀滤出，并置于真空干燥箱中，温度50-80℃，时间10-20小时，得到羧甲基β-环糊精（CM-β-CD）；
b.选择体积比为7-10:1的四氢呋喃与N,N-二甲基甲酰胺的混合液作为溶剂，将羧甲基β-环糊精与交联剂和催化剂于溶剂中反应，反应结束后，将反应体系冷却，用溶剂和水洗涤反应产物，除去多余的反应物，将产物进行冷冻干燥得到羧甲基β-环糊精聚合物；
c.将一定摩尔比的FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O置于三口烧瓶中，选择25%NH3·H2O作为碱源，再加入羧甲基β-环糊精聚合物，所述FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O的摩尔比为1:2；FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O的质量和与羧甲基β-环糊精聚合物的质量比为0.5-3:1，反应在氮气气氛中剧烈搅拌，反应结束后，将反应体系冷却，用磁铁将产物与未反应的反应物分离，用蒸馏水洗五次，将产物干燥，得到磁性羧甲基β-环糊精聚合物；
所述步骤a中：反应时间为5-10小时，反应温度为50-100℃；
所述步骤b中：氮气保护下的反应时间为24-96小时，反应温度为50-100℃；
所述步骤c中：反应温度为50-100℃时加入25%NH3·H2O，反应时间为1-10小时；反应在氮气气氛中剧烈搅拌；
在所述步骤c中，反应体系里加入柠檬酸三钠、2-乙基己酸亚锡、甲醇，所述柠檬酸三钠、2-乙基己酸亚锡、甲醇、FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O的摩尔比为1:0.3:0.5:1:2。
2.根据权利要求1所述的一种制备磁性羧甲基β-环糊精聚合物的方法，其特征在于，所述交联剂为四氟对苯二甲腈。
3.根据权利要求1所述的一种制备磁性羧甲基β-环糊精聚合物的方法，其特征在于，所述催化剂为K2CO3。
4.根据权利要求1所述的一种制备磁性羧甲基β-环糊精聚合物的方法，其特征在于，所述羧甲基β-环糊精与交联剂、催化剂的质量比为2:1:0.3。
5.根据权利要求1所述的一种制备磁性羧甲基β-环糊精聚合物的方法，其特征在于，所述c干燥步骤中，将反应产物置于真空干燥箱中，温度50-100℃，干燥12-48小时。
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