CN109569326B - 一种以透明质酸-氧化石墨烯负载聚乙烯醇海绵作为正渗透汲取物反复提取净水的方法 - Google Patents

一种以透明质酸-氧化石墨烯负载聚乙烯醇海绵作为正渗透汲取物反复提取净水的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种以透明质酸‑氧化石墨烯负载聚乙烯醇海绵作为正渗透汲取物反复提取净水的方法，属于环境污染控制工程技术领域。亲水性耐压缩海绵作为正渗透汲取物，并将其应用于正渗透工艺中，以该技术汲水和产水速率，简化再生方法。本发明所制备的汲取物因其结构特点能够完全避免反向渗透，保持较高的水通量。此外，基于机械性能优异的PVA基底，可极大减缓汲取物不可逆形变，延长其使用寿命。该型汲取物再生只需简单机械压缩即可在短时间内完成再生和产水过程。基底材料廉价易得，可大规模生产，这有利于该汲取物的大规模制备和广泛应用。

Description

一种以透明质酸-氧化石墨烯负载聚乙烯醇海绵作为正渗透 汲取物反复提取净水的方法
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，涉及到以透明质酸-氧化石墨烯负载聚乙烯醇海绵作为正渗透汲取物用于反复汲取净水的研究，特别涉及到应用于户外应急和海水脱盐等领域正渗透装置中可反复使用汲取物的革新。
背景技术
随着经济发展和人口增长，水资源短缺及水污染等问题已经日益严重影。自上世纪中叶以来，微滤、超滤、纳滤和反渗透技术开始大量应用于生活污水、处理、饮用水处理、地下水补给等方面，以改变不可持续的水资源使用方式。
正渗透是水分子在浓度差作用下，通过半透膜自发地从低渗透压侧向高渗透压侧转移的过程。与其它膜过滤过程相比，正渗透技术具有水回收率高，膜污染趋势小和无需额外能源驱动等优点。鉴于正渗透具有的上述优势，近年来，研究者们已经对其理论基础和实践应用进行了大量探索性工作。该技术已经在海水发电、工业废水处理、食品加工等领域都有了成功的实际应用。
虽然该技术已受到广泛关注，但在汲取液方面，再生方法复杂及能效过低，反向渗透造成原料液二次污染等问题仍制约正渗透汲水技术的广泛应用。针对正渗透技术对汲取液的需求，研究者们已经相继开发出了无机盐类(原料廉价易得，但反向渗透严重)、天然大分子类(反向渗透低，但水通量较低)、合成大分子化合物类(反向渗透低，但合成方法复杂)、聚合电解质(反向渗透低，但水通量低，粘度大)和磁性纳米颗粒(水通量高，反向渗透低，但再生困难)等汲取液，但均无法完全解决反向渗透和再生过程复杂效能低的问题。
2011年，Wang等首次报道了以聚丙烯酸钠和聚异丙基酰胺为原料合成的温度响应型水凝胶，并以其作为固态汲取物，可以完全避免反向渗透现象。但其同过刺激响应方式进行的汲取物再生过程耗时长、产水率低等问题。而以此为研发基础，Zhang等选择海藻酸钠和氧化石墨烯为原料，制备具有三维网络结构的亲水耐压缩气凝胶作为汲取物，能够保留水凝胶汲取物的优点，同时极大的提高了水通量。此外，其产水再生可通过简单的机械压缩在短时间内完成，有效的提高了汲取物的再生效率。但为了保证汲取物的亲水性和汲水能力，气凝胶的机械性能受到了一定程度的限制。因此，固态汲取物在性能提升上还具备较大空间，且因自身结构特点使其在正渗透领域具有较为广阔的应用前景。
发明内容
本发明以，将透明质酸和氧化石墨烯(GO)通过交联剂负载于聚乙烯醇海绵(PVA)基底上，制备出亲水性强、耐压缩性好的海绵材料，以其作为正渗透汲取物用于反复提取净水的研究。透明质酸和GO能够使体块材料保持较高的亲水性。亲水、耐压缩的PVA海绵基底能够可以极大的延长汲取物的使用寿命，即可在反复的高应变程压缩后仍能恢复宏观形貌至初始状态。并且其再生方法简单和效率较高。基底材料廉价易得，这有利于该汲取物的大规模制备和广泛应用。
本发明的技术方案：
一种以透明质酸-氧化石墨烯负载聚乙烯醇海绵作为正渗透汲取物反复提取净水的方法，步骤如下：
步骤1：以丙酮和去离子水交替对PVA海绵进行冲洗，3～5次，除去海绵中微量杂质；之后，对PVA海绵进行预处理，将其置于30wt.％H2O2水溶液中，在40～50℃温度条件下反应1～4h，取出海绵，以去离子水反复清洗3～5次，除去残留H2O2，然后将PVA海绵置于真空干燥箱中，干燥；其中，PVA海绵的密度:0.02g/cm3,平均孔径:50μm,拉伸强度>10N/cm2；
步骤2：配制质量比为4:1～1:4的HA与GO的混合水溶液，HA的浓度控制在0.5～1.5mg/mL；以10mmol/L 2-(N-吗啉代)乙磺酸水溶液作为pH缓冲溶液，控制混合水溶液pH值在6～7；将步骤1得到的PVA海绵切成圆柱形体块，控制PVA海绵与HA的质量比为150:1～75:2；用PVA海绵将混合溶液全部吸收，密封静置30～60min；之后将其依次浸入2mmol/L的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐水溶液和2mmol/L的N-羟基琥珀酰亚胺水溶液，两种溶液均保持在4℃中，各静置10～20min，其中，HA、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺三者之间的摩尔比为1:1:1～1:2:2；再用去离子水清洗3-5次，然后，将其浸入10mmol/L聚醚酰亚胺-D400水溶液中，进行交联反应30～60min，其中HA与聚醚酰亚胺-D400的摩尔比为2:1～1:2；之后，将PVA海绵取出，以去离子水清洗表面多余的聚醚酰亚胺-D400；
步骤3：将步骤2得到的PVA海绵置于4℃条件下静置24～36h；最后，将凝胶化的PVA体块进行真空、-90℃温度条件下冷冻干燥，24～36h，得到干燥的HA-GO/PVA海绵；
步骤4：以步骤3得到的具有高亲水性、强耐压HA-GO/PVA海绵作为正渗透汲取物，应用于从海水、雨水、生活污水中汲取净水；汲水饱和后通过压缩回收的净水水质较高，优于自来水。
本发明的有益效果：本发明方法中以HA-GO/PVA海绵作为正渗透汲取物，能够完全避免反向渗透，保持较高水通量。此外，PVA海绵基底还能后极大程度的提升汲取物的耐反复压缩性能，有效延长了汲取物的使用寿命。以PVA海绵作为基底，HA和GO，通过聚醚胺交联，固定于基底上。再通过置换、冻干等过程，制备出具有强吸水性和高机械能力的体块材料。透明质酸钠作为天然大分子，亲水性强，带有大量羧基易于交联反应，且无毒。片层状的GO上含有大量羧基、羟基，易于交联，同时，可以一定程度上的减缓透明质酸钠分子之间的团聚，使形成的凝胶结构稳定有序。在制备过程中，在催化剂促进下HA和GO与聚醚胺发生交联反应，通过酰胺键相互交联，在PVA基底上形成结构稳定的凝胶。
具体实施方式
以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例1
以丙酮和去离子水交替对医用PVA海绵(密度:0.02g/cm3,平均孔径:50μm,拉伸强度>10N/cm2)进行冲洗(3-5次)，除去海绵中微量杂质。之后，对PVA海绵进行预处理，将其置于30％H2O2水溶液中，50℃，反应2h，取出海绵，以去离子水反复清洗，除去残留H2O2，然后将PVA海绵置于真空干燥箱中，50℃干燥。之后，将干燥的预处理PVA海绵切成圆柱形体块，规格为直径：2.25cm，高：1.5cm。配制20mL透明质酸钠(HA)(20mg)和氧化石墨烯(GO)(20mg)水溶液，以2-(N-吗啉代)乙磺酸(10mmol/L)水溶液(缓冲溶液)控制反应溶液pH值为6。用处理过的PVA海绵将混合溶液全部吸收，密封静置30min，之后将其依次浸入40mL 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(2mmol/L，4℃)和40mL N-羟基琥珀酰亚胺(2mmol/L，4℃)水溶液中，各15min。再用去离子水清洗3-5次，然后，将其浸入100mL 10mmol/L聚醚酰亚胺-D400(交联剂)水溶液中，进行交联反应，30min。之后，将PVA基底取出，以去离子水清洗表面多余的交联剂。将PVA基底置于4℃冰箱中静置24h。最后，将凝胶化的PVA体块进行真空冷冻干燥(-90℃，24h)得到干燥的HA-GO/PVA海绵。
海水脱盐应用：将上述HA-GO/PVA汲取物用于双室正渗透脱盐装置中，将海水原料液。待汲水饱和，取出HA-GO/PVA汲取物，轻轻挤压，得到净水，完成汲取物再生。将再生后HA-GO/PVA汲取物放回正渗透装置中，进行反复进行汲水测试，汲取物汲水饱和时间和净水产量保持稳定。且汲取物经过300次反复汲水测试后外观形貌及压缩性能基本保持不变。

Claims (1)

1.一种以透明质酸-氧化石墨烯负载聚乙烯醇海绵作为正渗透汲取物反复提取净水的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：以丙酮和去离子水交替对PVA海绵进行冲洗，3～5次，除去海绵中微量杂质；之后，对PVA海绵进行预处理，将其置于30wt.％H2O2水溶液中，在40～50℃温度条件下反应1～4h，取出海绵，以去离子水反复清洗3～5次，除去残留H2O2，然后将PVA海绵置于真空干燥箱中，干燥；其中，PVA海绵的密度:0.02g/cm3,平均孔径:50μm,拉伸强度>10N/cm2；
步骤2：配制质量比为4:1～1:4的HA与GO的混合水溶液，HA的浓度控制在0.5～1.5mg/mL；以10mmol/L 2-(N-吗啉代)乙磺酸水溶液作为pH缓冲溶液，控制混合水溶液pH值在6～7；将步骤1得到的PVA海绵切成圆柱形体块，控制PVA海绵与HA的质量比为150:1～75:2；用PVA海绵将混合水溶液全部吸收，密封静置30～60min；之后将其依次浸入2mmol/L的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐水溶液和2mmol/L的N-羟基琥珀酰亚胺水溶液，两种溶液均保持在4℃中，各静置10～20min，其中，HA、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺三者之间的摩尔比为1:1:1～1:2:2；再用去离子水清洗3-5次，然后，将其浸入10mmol/L聚醚酰亚胺-D400水溶液中，进行交联反应30～60min，其中HA与聚醚酰亚胺-D400的摩尔比为2:1～1:2；之后，将PVA海绵取出，以去离子水清洗表面多余的聚醚酰亚胺-D400；
步骤3：将步骤2得到的PVA海绵置于4℃条件下静置24～36h；最后，将PVA体块进行真空、-90℃温度条件下冷冻干燥24～36h，得到干燥的HA-GO/PVA海绵；
步骤4：以步骤3得到的具有高亲水性、强耐压HA-GO/PVA海绵作为正渗透汲取物，应用于从海水、雨水、生活污水中汲取净水；汲水饱和后通过压缩回收的净水水质较高，优于自来水；通过机械压缩再生的方法进行反复提取净水，提取次数超过300。
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