CN109056414A - 一种可同时用于乳液分离、染料吸附和烟雾吸附的多功能纸的制备方法 - Google Patents

一种可同时用于乳液分离、染料吸附和烟雾吸附的多功能纸的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于超润湿材料制备领域，特别涉及可同时用于乳液分离、染料吸附和烟雾吸附的纸的制备方法。本发明包括羟基磷灰石纳米线的制备，金属有机骨架纳米颗粒的掺杂等步骤。该多功能纸具备良好的稳定性能，且具备良好的空气中超亲水和水下超疏油性能。此外，这种纸可以用于表面活性剂稳定的水包油乳液的高效分离和水溶性染料有毒物质的吸附，并且在香烟燃烧过程中，对于产生的PM 2.5和PM 10等有害物质有着良好吸附特性。本发明制备工艺简单，原料易得，成本低廉，稳定性强，适合大面积制备和应用，既适用于工作含油废水及有毒染料污染水体的处理，同时也适用于空气污染物处理与净化等领域。

Description

一种可同时用于乳液分离、染料吸附和烟雾吸附的多功能纸 的制备方法
技术领域
本发明属于超亲水和水下超疏油纸制备技术领域，特别涉及可同时用于乳液分离、染料吸附和烟雾吸附的多功能纸的制备方法。
背景技术
随着时代发展，汽车尾气、工业废气排放等导致的空气污染已成为不容忽视的问题。其中空气中漂浮的直径小于2.5微米(PM 2.5)和小于10微米(PM 10)的颗粒物很容易侵入人体的呼吸系统，因此，人体长期暴露在这样的环境下将会导致健康问题。
水下超疏油现象在自然界存在广泛，如鲨鱼皮，海带等等。水下超疏油材料具有很多独特优异的表面性能：水下超疏油、自清洁性、防腐抗污、耐磨减阻等特性，使得其在众多领域都具有巨大的应用前景。
基于羟基磷灰石纳米线的仿生纸，通过利用羧甲基纤维素超强粘附性，结合金属有机骨架纳米粒子，使其具有良好的稳定性及吸附性能，并且具备良好的水下抗污能力。同时，由于制备的羟基磷灰石纳米线本身就防火，使得纸具有很好的耐高温性和耐火性。此外，纸的超亲水和水下超疏油性能，使得纸片具备良好的乳液分离性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单、方便的工业化生产可同时用于乳液分离、染料吸附和烟雾吸附的多功能纸的方法，解决了纸片材料制备步骤繁杂，耐候性差，实用性低，耐磨性差的问题。通过简单的方法制备了具有良好稳定性，耐磨耐火性及超亲水/水下超疏油性的纸，获得的纸具备良好的水下抗污、乳液分离、PM颗粒物吸附和染料吸附降解的能力。
实现本发明目的的技术方案是：一种可同时用于乳液分离、染料吸附和烟雾吸附的多功能纸的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1.羟基磷灰石纳米线的制备：分别取氯化钙的水溶液，氢氧化钠的水溶液，在室温下边搅拌边逐滴加入到无水乙醇和油酸的混合溶液中，接着向上述溶液中逐滴加入磷酸二氢钠的水溶液，搅拌均匀后，形成乳白色的粘稠液体，然后将上述溶液混合物转移到反应釜中，置于温度为180℃的条件下反应24h，反应后冷却至室温，经过离心，然后反复分别用无水乙醇和去离子水搅拌洗涤3次，之后将羟基磷灰石纳米线分散在去离子水中备用，从而完成羟基磷灰石纳米线的制备；
2.羟基磷灰石纳米线的增韧：取羧甲基纤维素在室温连续搅拌下加入到100mL的去离子水中，超声0.5～1h后得到粘稠的羧甲基纤维素溶液，取一定量的羧甲基纤维素溶液加入到步骤1溶液中，搅拌6～8h，从而完成强度较好的羟基磷灰石纳米线的制备；
3.金属有机骨架纳米颗粒的掺杂：取四氯化锆粉末加入到N,N-二甲基甲酰胺和浓盐酸的混合溶液中，超声10～20min，取有机配体加入到20mL N,N-二甲基甲酰胺溶液中，待溶解完成后加入到混有四氯化锆的混合溶液中继续超声10～20min，然后将上述溶液混合物转移到反应釜中，置于温度为80℃的条件下反应24h。反应后冷却至室温，经过离心，然后反复分别用N,N-二甲基甲酰胺和无水乙醇搅拌洗涤3次，之后进行真空抽滤，粉末在真空干燥箱中80℃中干燥12h后备用，取金属有机骨架粉末加入到步骤2的混合溶液中，搅拌6～8h，之后进行真空抽滤，在真空干燥箱60℃干燥24h，完成多功能纸的制备。
本发明所述的氯化钙，氢氧化钠和磷酸二氢钠的质量之比为11:5:14。
本发明所述的氯化钙，氢氧化钠和磷酸二氢钠溶液的体积比为2:2:1。
本发明所述的无水乙醇和油酸的质量比为1:1。
本发明所述的羧甲基纤维素用量为1g。
本发明所述的一定量的羧甲基纤维素溶液用量为3mL。
本发明所述的四氯化锆的用量为0.251g。
本发明所述的N,N-二甲基甲酰胺和浓盐酸的体积比为5：1。
本发明所述的有机配体为2-氨基对苯二甲酸。
本发明所述的有机配体用量为0.27g。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.工艺简单，原料易得，成本低廉；
2.制备的纸具有良好的耐火性；
3.制备的纸具有超亲水和水下超疏油性能，具有很好的水下防污性能。
4.制备的纸可用于表面活性剂稳定的水包油乳液的高效分离。
5.制备的纸可用于高效吸附空气中PM 2.5和PM 10颗粒。
6.制备的纸可用于处理污水中染料的吸附降解。
7.制备的纸机械强度大，使用寿命长。
附图说明
图1：实施例1所得原始纸、金属有机骨架纳米颗粒和多功能纸的扫描电镜图，其中图a为原始纸在5000倍和10000倍下的形貌，图b为金属有机骨架纳米颗粒在5000倍和10000倍下的形貌，图c为多功能纸在5000倍和10000倍下的形貌。
图2：实施例1所得原始纸和多功能纸亲水性能比较和多功能纸水下超疏油性能，其中图a为水滴对原始纸的浸润过程照片，图b为水滴对多功能纸的浸润过程照片，图c为针对不同亲油重油，多功能纸对不同的油的水下超疏油性能。
图3：实施例1所得多功能纸的乳液分离性能，其中图a为石油醚乳液分离过程概念图，图b为乳液分离前后，乳液和滤液液滴的显微镜光学照片图片，图c为乳液分离实验后，循环次数与乳液分离的流速和滤液中油的含量的关系曲线。
图4：实施例1所得多功能纸的乳液分离性能，其中图a正辛烷乳液分离前后，乳液和滤液液滴的显微镜光学照片图片，图b为乳液分离实验后，循环次数与乳液分离的流速和滤液中油的含量的关系曲线。
图5：实施例1所得多功能纸的乳液分离性能，其中图a二氯乙烷乳液分离前后，乳液和滤液液滴的显微镜光学照片图片，图b为乳液分离实验后，循环次数与乳液分离的流速和滤液中油的含量的关系曲线。
图6：实施例1所得多功能纸的烟雾吸附实验，其中图a为香烟燃烧产生的颗粒物图片及烟雾吸附实验的装置光学照片，图b为烟雾吸附实验前后纸的正面和背面的光学照片，图c为烟雾吸附实验前后纸的正面和背面的在5000放大倍数下的扫描电镜图，图d为循环次数与PM 2.5和PM 10的吸附效率的关系曲线，图e为多功能纸用于香烟燃烧时阻隔PM颗粒物的概念图。
图7：实施例1所得多功能纸的染料降解吸附实验，其中图a为50mg/L阳离子染料亚甲基蓝通过多功能纸的降解吸附实验过程光学照片，以及不同浓度亚甲基蓝染料吸附后，滤液的吸光度大小比较曲线，图b为50mg/L阴离子染料甲基橙通过多功能纸的降解吸附实验过程光学照片，以及不同浓度甲基橙染料吸附后，滤液的吸光度大小比较曲线。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。
实施例1
1.羟基磷灰石纳米线的制备：分别取0.22g氯化钙加入到20mL去离子水中，取1.0g氢氧化钠加入到20mL去离子水中，在室温下边搅拌边逐滴加入到12g无水乙醇和12g油酸的混合溶液中，接着向上述溶液中逐滴加入磷酸氢二钠(0.28g)的水溶液(10mL)，搅拌均匀后，形成乳白色的粘稠液体。然后将上述溶液混合物转移到100mL反应釜中，置于温度为180℃的条件下反应24h。反应后冷却至室温，经过离心，然后反复分别用无水乙醇和去离子水搅拌洗涤三次，之后将羟基磷灰石纳米线分散在去离子水中备用。从而完成羟基磷灰石纳米线的制备。
2.羟基磷灰石纳米线的增韧：取1g羧甲基纤维素在室温连续搅拌下加入到100mL的去离子水中，超声1h后得到粘稠的羧甲基纤维素溶液。取3mL羧甲基纤维素溶液加入到步骤1溶液中，搅拌6h。从而完成强度较好的羟基磷灰石纳米线的制备。
3.金属有机骨架纳米颗粒的掺杂：取0.251g四氯化锆粉末加入到10mL N,N-二甲基甲酰胺和2mL浓盐酸的混合溶液中，超声20min,取0.27g氨基对苯二甲酸粉末加入到20mLN,N-二甲基甲酰胺溶液中，待溶解完成后加入到混有四氯化锆的混合溶液中继续超声20min。然后将上述溶液混合物转移到反应釜中，置于温度为80℃的条件下反应24h。反应后冷却至室温，经过离心，然后反复分别用N,N-二甲基甲酰胺和无水乙醇搅拌洗涤3次，之后进行真空抽滤，粉末在真空干燥箱中80℃中干燥12h后备用。取0.05g金属有机骨架粉末加入到步骤2的混合溶液中，搅拌8h，之后进行真空抽滤，在真空干燥箱60℃干燥24h。完成多功能纸的制备。
实施例2
1.羟基磷灰石纳米线的制备：分别取0.22g氯化钙加入到20mL去离子水中，取1.0g氢氧化钠加入到20mL去离子水中，在室温下边搅拌边逐滴加入到12g无水乙醇和12g油酸的混合溶液中，接着向上述溶液中逐滴加入磷酸氢二钠(0.28g)的水溶液(10mL)，搅拌均匀后，形成乳白色的粘稠液体。然后将上述溶液混合物转移到100mL反应釜中，置于温度为180℃的条件下反应24h。反应后冷却至室温，经过离心，然后反复分别用无水乙醇和去离子水搅拌洗涤三次，之后将羟基磷灰石纳米线分散在去离子水中备用。从而完成羟基磷灰石纳米线的制备。
2.羟基磷灰石纳米线的增韧：取1g羧甲基纤维素在室温连续搅拌下加入到100mL的去离子水中，超声0.5h后得到粘稠的羧甲基纤维素溶液。取3mL羧甲基纤维素溶液加入到步骤1溶液中，搅拌8h。从而完成强度较好的羟基磷灰石纳米线的制备。
3.金属有机骨架纳米颗粒的掺杂：取0.251g四氯化锆粉末加入到10mL N,N-二甲基甲酰胺和2mL浓盐酸的混合溶液中，超声10min，取0.27g氨基对苯二甲酸粉末加入到20mLN,N-二甲基甲酰胺溶液中，待溶解完成后加入到混有四氯化锆的混合溶液中继续超声10min。然后将上述溶液混合物转移到反应釜中，置于温度为80℃的条件下反应24h。反应后冷却至室温，经过离心，然后反复分别用N,N-二甲基甲酰胺和无水乙醇搅拌洗涤3次，之后进行真空抽滤，粉末在真空干燥箱中80℃中干燥12h后备用。取0.05g金属有机骨架粉末加入到步骤2的混合溶液中，搅拌6h，之后进行真空抽滤，在真空干燥箱60℃干燥24h。完成多功能纸的制备。
本发明包括羟基磷灰石纳米线的制备，金属有机骨架纳米颗粒的掺杂等步骤。该多功能纸具备良好的稳定性能，且具备良好的空气中超亲水和水下超疏油性能。此外，这种纸可以用于表面活性剂稳定的水包油乳液的高效分离和水溶性染料有毒物质的吸附，并且在香烟燃烧过程中，对于产生的PM 2.5和PM 10等有害物质有着良好吸附特性。本发明制备工艺简单，原料易得，成本低廉，稳定性强，适合大面积制备和应用，既适用于工作含油废水及有毒染料污染水体的处理，同时也适用于空气污染物处理与净化等领域。
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种可同时用于乳液分离、染料吸附和烟雾吸附的多功能纸的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1.羟基磷灰石纳米线的制备：分别取氯化钙的水溶液，氢氧化钠的水溶液，在室温下边搅拌边逐滴加入到无水乙醇和油酸的混合溶液中，接着向上述溶液中逐滴加入磷酸二氢钠的水溶液，搅拌均匀后，形成乳白色的粘稠液体，然后将上述溶液混合物转移到反应釜中，置于温度为180℃的条件下反应24h，反应后冷却至室温，经过离心，然后反复分别用无水乙醇和去离子水搅拌洗涤3次，之后将羟基磷灰石纳米线分散在去离子水中备用，从而完成羟基磷灰石纳米线的制备；
2.羟基磷灰石纳米线的增韧：取羧甲基纤维素在室温连续搅拌下加入到100mL的去离子水中，超声0.5～1h后得到粘稠的羧甲基纤维素溶液，取一定量的羧甲基纤维素溶液加入到步骤1溶液中，搅拌6～8h，从而完成强度较好的羟基磷灰石纳米线的制备；
3.金属有机骨架纳米颗粒的掺杂：取四氯化锆粉末加入到N,N-二甲基甲酰胺和浓盐酸的混合溶液中，超声10～20min，取有机配体加入到20mL N,N-二甲基甲酰胺溶液中，待溶解完成后加入到混有四氯化锆的混合溶液中继续超声10～20min，然后将上述溶液混合物转移到反应釜中，置于温度为80℃的条件下反应24h。反应后冷却至室温，经过离心，然后反复分别用N,N-二甲基甲酰胺和无水乙醇搅拌洗涤3次，之后进行真空抽滤，粉末在真空干燥箱中80℃中干燥12h后备用，取金属有机骨架粉末加入到步骤2的混合溶液中，搅拌6～8h，之后进行真空抽滤，在真空干燥箱60℃干燥24h，完成多功能纸的制备。
2.如权利要求1所述的可同时用于乳液分离、染料吸附和烟雾吸附的多功能纸的制备方法，其特征在于：所述的氯化钙，氢氧化钠和磷酸二氢钠的质量之比为11:5:14。
3.如权利要求1所述的可同时用于乳液分离、染料吸附和烟雾吸附的多功能纸的制备方法，其特征在于：所述的氯化钙，氢氧化钠和磷酸二氢钠溶液的体积比为2:2:1。
4.如权利要求1所述的可同时用于乳液分离、染料吸附和烟雾吸附的多功能纸的制备方法，其特征在于：所述的无水乙醇和油酸的质量比为1:1。
5.如权利要求1所述的可同时用于乳液分离、染料吸附和烟雾吸附的多功能纸的制备方法，其特征在于：所述的羧甲基纤维素用量为1g。
6.如权利要求1所述的可同时用于乳液分离、染料吸附和烟雾吸附的多功能纸的制备方法，其特征在于：所述的一定量的羧甲基纤维素溶液用量为3mL。
7.如权利要求1所述的可同时用于乳液分离、染料吸附和烟雾吸附的多功能纸的制备方法，其特征在于：所述的四氯化锆的用量为0.251g。
8.如权利要求1所述的可同时用于乳液分离、染料吸附和烟雾吸附的多功能纸的制备方法，其特征在于：所述的N,N-二甲基甲酰胺和浓盐酸的体积比为5：1。
9.如权利要求1所述的可同时用于乳液分离、染料吸附和烟雾吸附的多功能纸的制备方法，其特征在于：所述的有机配体为2-氨基对苯二甲酸。
10.如权利要求1所述的可同时用于乳液分离、染料吸附和烟雾吸附的多功能纸的制备方法，其特征在于：所述的有机配体用量为0.27g。
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