CN109651653A - 三维卡拉胶/海藻酸钠双网络结构凝胶球的制备方法 - Google Patents

三维卡拉胶/海藻酸钠双网络结构凝胶球的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维卡拉胶/海藻酸钠双网络结构凝胶球的制备方法；包括：分别取卡拉胶与海藻酸钠，加入去离子水混合均匀，形成卡拉胶与海藻酸钠的混合物；将所述卡拉胶与海藻酸钠的混合物滴入K+溶液中浸泡4‑8h，得到凝胶球；将所述凝胶球浸泡入Ca2+溶液8h，再用去离子水浸泡、冲洗，得到水凝胶；冷冻干燥所述水凝胶，即可。本发明制备的材料制备工艺简单、条件易控、成本低廉、溶胀过程不易破裂，有极好的吸附性和机械性特性。

Description

三维卡拉胶/海藻酸钠双网络结构凝胶球的制备方法
技术领域
本发明属于环境科学技术领域，具体涉及一种三维卡拉胶/海藻酸钠双网络结构凝胶球的制备方法，应用于吸附处理等领域。
背景技术
水是生命之源，是人体必不可少的营养物，地球上所有生物的诞生、成长、生存、进化及健康繁殖都离不开水，对生物而言，水是最重要的。然而，人类的迅速发展，造成了严重水体污染，其中，工业引起的水体污染最严重。随着人类对淡水需求量的不断增长，然而当前全球淡水资源短缺，严重影响了生态平衡及生活质量。水处理方法有混凝法、中和法、氧化还原法、离子交换法以及吸附法等。吸附法因不会引入新的污染物、操作方法简单、低成本、高效率而倍受关注，被认为是水处理中最为经济有效的水处理方法之一。
水凝胶的机械性能主要包括强度、模量、韧性等，但是一般的聚合物水凝胶机械性能较弱，很多水凝胶甚至在溶胀过程中就会因为缺少韧性而破裂。近年来，国内外研究者研究出多种具有高强机械性能的水凝胶，其中双网络水凝胶的机械性能提升非常显著。双网络水凝胶，具有超高抗压、抗拉伸、耐磨以及高生物相容性特点。因此，双网络结构也具有极高的研究价值。
发明内容
为了解决现有吸附剂机械性能差，易碎，难分离，难回收利用等技术问题，本发明的目的是提供一种三维卡拉胶/海藻酸钠双网络结构凝胶球的制备方法。本发明利用海藻酸钠易成凝胶的性能与卡拉胶的胶凝性和增稠性制备出成本低廉，安全无毒，吸附性能和机械性能好的双网络结构材料做吸附剂。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种三维卡拉胶/海藻酸钠双网络结构凝胶球的制备方法，所述方法包括如下步骤：
S1、分别取卡拉胶与海藻酸钠，加入去离子水混合均匀，形成卡拉胶与海藻酸钠的混合物；每100ml去离子水对应卡拉胶0.3～1.5g、海藻酸钠0.5～1.5g；
S2、将所述卡拉胶与海藻酸钠的混合物滴入K+溶液中浸泡4～8h，得到凝胶球；所述K+溶液中K+的浓度为≥10g/L；
S3、所述凝胶球浸泡入Ca2+溶液4～8h，再用去离子水浸泡、冲洗，得到水凝胶；所述Ca2+溶液中Ca2+的浓度为≥10g/L；
S4、冷冻干燥所述水凝胶，即得所述三维卡拉胶/海藻酸钠双网络结构凝胶球。
优选的，步骤S1中，所述海藻酸钠与卡拉胶质量比为1:3～5:1。更优选为1:1.5。当海藻酸钠与卡拉胶质量比为1:1.5时，所制得水凝胶溶胀度最低，并且机械性能良好，大于或小于该质量比时，溶胀度均升高，由于溶胀后水凝胶机械性能下降，不利于接下来的吸附实验，因此，限定海藻酸钠与卡拉胶质量比为1:3～5:1。
优选的，步骤S1中，所述混合均匀是用搅拌器搅拌4～6h。
优选的，步骤S2中，所述卡拉胶与海藻酸钠的混合物与K+溶液的质量比为 1:5～1:10。更优选为1:5。该质量比的选择是为了保证K+溶液中k+数量能够与卡拉胶与海藻酸钠混合物充分反应。
优选的，所述K+溶液中K+的浓度为10g/L～100g/L。
优选的，步骤S2中，所述K+溶液为氯化钾水溶液。
优选的，步骤S3中，所述凝胶球与Ca2+溶液的质量比为1:5～1:10。更优选为1:5。该质量比的选择是为了保证Ca2+溶液中Ca2+数量能够与凝胶球充分反应。
优选的，所述Ca2+溶液中Ca2+的浓度为10g/L～100g/L。
优选的，步骤S3中，所述Ca2+溶液为氯化钙水溶液。
优选的，步骤S4中，所述冷冻干燥是在-60℃干燥48小时。
本发明所涉及的吸附剂是一种双网络结构的海藻酸钠(SA)/卡拉胶凝胶球材料，该材料有极好的机械性特性，并且吸附性能好，易控制，易于从水中分离，不会对水体造成二次污染并且能够回收利用。
本发明的技术原理为：海藻酸钠表面含有大量的羟基，和钙离子接触可发生置换反应形成不溶于水的海藻酸钙凝胶。K型卡拉胶与钾离子作用，能形成硬且脆的凝胶。海藻酸钠和卡拉胶先混合后，再依次在钙离子和钾离子溶液中浸泡，从而制得双网络结构的海藻酸钠(SA)/卡拉胶凝胶球材料。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)所用原料安全低毒，来源广，价格低廉；原料反应效率高，符合绿色化学的要求；
(2)进一步的，本发明采用卡拉胶与海藻酸钠胶连，卡拉胶可从红藻类海草中提炼出来，成本低廉，并且广泛应用于食品产业，安全无毒，较丙烯酰胺等更为绿色经济；
(3)在固定固液比的情况下(本发明实验采用2.5％)，随着卡拉胶比例的增加，吸附容量随之增加，说明卡拉胶可以提升海藻酸钠的吸附量；结合机械强度的变化，本发明选取海藻酸钠与卡拉胶质量比1:1.5为最佳；
(4)利用卡拉胶可与K+离子胶连而海藻酸钠不与K+离子胶连的特性，可以使卡拉胶先胶连形成第一网络，再令海藻酸钠与Ca2+离子胶连形成第二网络，并且卡拉胶也可与Ca2+离子胶连，可将未充分交联的卡拉胶继续胶连，两网络相互独立且相互贯穿；
(5)卡拉胶的加入可以降低海藻酸钠在NaCL溶液(本发明实验采用3.5％接近海水中NaCL浓度，以及1、2、3、4、5mol/LNaCL溶液)中的溶胀度，溶胀度降低有利于维持水凝胶形状，保持其机械性能，对于近海中抗生素的吸附有良好前景；
(6)制备过程时不产生对环境有污染的副产物，制备工艺简单可行，成本低廉，制备过程绿色化，适于大批量生产；
(7)所制备的材料为双网络结构，有更好的吸附性和机械性，易于从水中分离，不会对水体造成二次污染，而且可回收利用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为海藻酸钠(SA)/卡拉胶双网络结构凝胶球吸附材料的示意图；
图2为海藻酸钠(SA)/卡拉胶凝胶球溶胀性测定示意图；其中，B：初始湿重；C：浸泡24小时后湿重。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
本实施例涉及一种新型三维卡拉胶/海藻酸钠双网络结构凝胶球吸附材料，通过如下步骤的方法制备而成：
(1)分别称取1.5g海藻酸钠与1.5g卡拉胶，加入烧杯。
(2)用量筒量取100ml去离子水，加入烧杯混合；
(3)利用搅拌器搅拌上述混合溶液5h，至溶液混合均匀，得到卡拉胶与海藻酸钠混合物。
(4)分别称取5g氯化钙与氯化钾，溶于500mL容量瓶中，定容，分别得到10g/L 氯化钙与氯化钾溶液
(5)利用蠕动泵(13#橡胶管)将卡拉胶与海藻酸钠混合物滴入K+溶液浸泡8h，得到凝胶球。
(6)将凝胶球浸泡入Ca2+溶液8h，再用去离子水浸泡12h并冲洗三次，得到水凝胶。
(7)冷冻干燥后即可制备出海藻酸钠(SA)/卡拉胶双网络结构凝胶球材料。
所制备的海藻酸钠(SA)/卡拉胶双网络结构凝胶球吸附材料如图1所示。卡拉胶与K+胶连，形成第一层结构；海藻酸钠(SA)与Ca2+胶连形成第二层结构；共同形成双网络结构凝胶球。
图2为所制得的海藻酸钠(SA)/卡拉胶凝胶球溶胀性测定示意图；其中，选用的吸附质：400mg/L环丙沙星。
表1为海藻酸钠(SA)/卡拉胶凝胶球的力学测试结果(两个平行样)。
表2为海藻酸钠(SA)/卡拉胶气凝胶球、海藻酸钠(SA)/卡拉胶水凝胶球的吸附平衡容量和去除率对比。
表1
K<sup>+</sup>-Ca<sup>2+</sup>
断裂负荷(点压缩率％) 89.879
弹性模量Mpa 0.1
断裂负荷(点压缩率％) 89.980
弹性模量Mpa 0.2
表2
样品 平衡吸附容量(mg/g) 去除率
K<sup>+</sup>--Ca<sup>2+</sup>(气凝胶) 780.46 44％
K<sup>+</sup>--Ca<sup>2+</sup>(水凝胶) 490 36％
由图2以及表1可看出该吸附材料具有良好的弹性，易控制，易形成颗粒大小均匀的球状结构(如图1)。并且，由表2可知，海藻酸钠(SA)/卡拉胶双网络结构气凝胶球具有优异的吸附性能和机械性能，在溶胀性过程不易破裂。(表2中的气凝胶指的是步骤(7)冷冻干燥后得到三维卡拉胶/海藻酸钠双网络结构凝胶球，水凝胶指的是步骤 (6)制备得到的水凝胶。)
综上所述，本发明制备的海藻酸钠(SA)/卡拉胶双网络结构凝胶球吸附材料为大小均匀的球，不会对水体造成二次污染，而且可回收利用，实用性强。且制备工艺简单、条件易控、成本低廉、溶胀过程不易破裂，有极好的吸附性和机械性特性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种三维卡拉胶/海藻酸钠双网络结构凝胶球的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、分别取卡拉胶与海藻酸钠，加入去离子水混合均匀，形成卡拉胶与海藻酸钠的混合物；每100ml去离子水对应卡拉胶0.3～1.5g、海藻酸钠0.5～1.5g；
S2、将所述卡拉胶与海藻酸钠的混合物滴入K+溶液中浸泡4～8h，得到凝胶球；所述K+溶液中K+的浓度为≥10g/L；
S3、所述凝胶球浸泡入Ca2+溶液4～8h，再用去离子水浸泡、冲洗，得到水凝胶；所述Ca2+溶液中Ca2+的浓度为≥10g/L；
S4、冷冻干燥所述水凝胶，即得所述三维卡拉胶/海藻酸钠双网络结构凝胶球。
2.根据权利要求1所述的三维卡拉胶/海藻酸钠双网络结构凝胶球的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述海藻酸钠与卡拉胶质量比为1:3～5:1。
3.根据权利要求1所述的三维卡拉胶/海藻酸钠双网络结构凝胶球的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述混合均匀是用搅拌器搅拌4～6h。
4.根据权利要求1所述的三维卡拉胶/海藻酸钠双网络结构凝胶球的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述卡拉胶与海藻酸钠的混合物与K+溶液的质量比为1:5～1:10。
5.根据权利要求1所述的三维卡拉胶/海藻酸钠双网络结构凝胶球的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述K+溶液为氯化钾水溶液。
6.根据权利要求1所述的三维卡拉胶/海藻酸钠双网络结构凝胶球的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述凝胶球与Ca2+溶液的质量比为1:5～1:10。
7.根据权利要求1所述的三维卡拉胶/海藻酸钠双网络结构凝胶球的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述Ca2+溶液为氯化钙水溶液。
8.根据权利要求1所述的三维卡拉胶/海藻酸钠双网络结构凝胶球的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述冷冻干燥是在-60℃干燥48小时。
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