CN110841599A - 一种双酚类化合物高效吸附材料的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于吸附富集材料制备技术及双酚类化合物检测方法技术领域，涉及一种双酚类化合物高效吸附材料的制备方法及其应用。该制备方法包括：将混合功能单体及亲水性有机框架材料，在有机溶剂中充分混合，加入交联剂和引发剂，除氧，加热反应，即可得到用于吸附双酚类化合物的复合材料。本发明制备的复合材料化学性能稳定、亲水性好、孔隙率高、对双酚类化学物吸附性能强。本发明所用原材料成本低、材料制备过程简单、吸附速率快、吸附容量较高、便于回收利用，作为高效吸附材料即可用作水环境中双酚类化合物的快速富集去除，也可用作前处理过程萃取剂，结合仪器分析建立双酚类物质的高灵敏检测方法。

Description

一种双酚类化合物高效吸附材料的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于吸附富集材料制备技术及双酚类化合物检测方法技术领域，涉及一种双酚类化合物高效吸附材料的制备方法及其应用，具体涉及一种金属有机框架@聚（丙烯酰胺-co-N-异丙基丙烯酰胺）复合材料的制备方法及其在5种双酚类化合物吸附、萃取、富集、分析检测中的应用。
背景技术
双酚A是一种典型的内分泌干扰物，工业上常用于合成环氧树脂、聚碳酸酯、聚苯醚树脂等高分子材料，也可用在增塑剂、阻燃剂、热稳定剂、农药、涂料等精细化工产品上。上世纪60年代，双酚A开始被广泛应用于食品相关容器及包装材料的生产，后续研究发现双酚A从包装材料向食品中迁移问题。而作为双酚A的替代物，双酚B、双酚F、双酚S、双酚AF等双酚类化合物近年来也被证实具有雌激素干扰效应。
双酚类化合物的大量生产和广泛应用，以致其在食品、水、土壤、大气等环境介质中均有检出，长期暴露可对人体生长发育、生殖、免疫等系统产生不利影响，因此，引发了社会各界对于双酚类化合物残留问题的广泛关注。目前，对于双酚A及系列物的分析国家标准仍是空白，为对双酚类化合物迁移量和暴露水平进行准备评价，发展高效、高灵敏的检测方法具有重要意义。但实际样品中双酚类化合物含量普遍较低，因此，高效前处理材料的开发，对于提高双酚类化合物分析效率和分析结果的准确性至关重要。
目前，中国专利《一种烟叶中多酚类化合物的检测方法》、《一种利用HPLC高效测定柑橘果实中酚类化合物的方法》、《一种洗涤用品中酚类化合物的快速检测方法》主要涉及酚类化合物的分析方法，而对于酚类化合物前处理材料开发研究报道较少。专利《一种双酚A的吸附材料及制备方法及其应用》开发了只针对双酚A一种待测物的吸附材料，但在实际分析中往往多种双酚化合物共存，不能满足同时提取、富集需求；且复合材料石墨烯/聚苯胺/聚氨基苄醇制备中需要使用价格较为昂贵的石墨烯，在一定程度上增加了样品分析成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双酚类化合物高效吸附材料的制备方法，该材料对双酚A及系列物具有较高选择性和极高吸附速率。
本发明另一目的为提供了上述方法制备的吸附材料的应用。
本发明为了实现上述目的所采用的技术方案为：
本发明提供了一种双酚类化合物高效吸附材料的制备方法，该方法利用混合功能单体在金属有机框架表面发生聚合反应，制备金属有机框架@共聚物复合材料，该材料呈现良好的多孔三维网络结构，金属有机框架填充于孔道内，具体包括如下步骤：
(1) 亲水性有机框架材料MIL-101合成
采用水热法在50 mL水溶液中加入0.2g九水硝酸铬、0.8g对苯二甲酸和50μL 40％氢氟酸，溶解混合均匀后，转移至75 mL高压反应釜内，220oC加热反应8 h，冷却至室温，用超纯水洗涤3次，离心收集绿色粉末状产物，干燥后得到MIL-101；
(2) 将混合功能单体溶于有机溶剂中，在室温下磁力搅拌0.5～6 h后，后加入金属有机框架材料，继续搅拌0.5～3 h，加入交联剂和引发剂，充分溶解后超声1～30 min，通N2 1～60 min后，30～90oC恒温水浴孵化24 h；
(3) 抽滤，用醇溶液洗去未反应物后，真空干燥，研磨、过筛，得到金属有机框架@共聚物复合材料MIL-101@P(NIPAM-co-AM)。
进一步的，所述混合功能单体为丙烯酰胺（AM）和N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）；所述有机溶剂为二甲基亚砜；所述交联剂为二甲基丙烯酸乙二醇酯；所述引发剂为AIBN。
上述丙烯酰胺（AM）和N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）的摩尔比为5:1～1:5，优选的，摩尔比为2:1；所述AM和MIL-101的质量比为1:1~1:10，优选的，质量比为1:7。
进一步的，步骤（2）中，所述在室温下磁力搅拌2h；加入金属有机框架材料后，继续搅拌1h；所述超声为2min；所述通氮气为5min。
进一步的，步骤（2）中，所述混合功能单体与交联剂的摩尔比为1:1～1:10，优选的，摩尔比为4:15。
进一步的，步骤（2）中，所述混合功能单体和引发剂的摩尔比为10:1。
进一步的，步骤（2）中，所述金属有机框架在有机溶液中的悬浮浓度为 0.5 mg/mL～5 mg/mL；优选的，悬浮液浓度为2 mg/mL。
进一步的，步骤（2）中，所述水浴孵化温度为60 ℃；所述真空干燥的温度为30～120℃、干燥时间为6～24 h，优选的，温度为60 ℃，时间为12 h。
进一步的，步骤（3）中，所述醇溶液为甲醇。
本发明还提供了一种上述制备方法制备的材料在吸附、萃取、富集、分析检测双酚类化合物中的应用。
上述双酚类化合物为BPA、BPB、BPF、BPS、BPAF。
本发明以双酚类化合物作为研究对象，创新性的引入亲水性、多孔性的金属有机框架作为基质材料，将其嵌入共聚物交联孔穴内，形成金属有机框架@聚（丙烯酰胺-co-N-异丙基丙烯酰胺）复合材料，该复合材料兼具金属框架材料的多孔性和亲水性，以及聚（丙烯酰胺-co-N-异丙基丙烯酰胺）高分子材料的表面活性和稳定性，因此，对双酚类化合物表现出较好的吸附选择性，高的吸附容量和快的吸附速率，可以作为吸附萃取材料，用于水环境中双酚类化合物的高效快速富集分离过程。
本发明具有的优点和有益效果是：
（1）本发明创造引入亲水性有机金属框架作为基质材料，一方面其本身的亲水性、大比表面积和多孔特性有效提升了复合材料在水环境中对双酚类化合物的富集效率，另一方面本身所带有的苯环骨架与双酚类化学物可以形成强的π-π共轭作用，实现对双酚类化合物的选择性富集。通过简单的一步自由基聚合反应，将金属框架材料嵌入聚合物网络中，进一步赋予复合材料表面大量的-NH2和-CO-NH-亲水基团，可与双酚类化学物形成氢键作用，同时也为金属框架材料提供良好的保护屏障，提高了其稳定性；此外，与单分散相框架材料相比，形成的复合材料可通过简单离心实现回收再利用。
（2）本发明制备的金属有机框架@聚(丙烯酰胺-co-N-异丙基丙烯酰胺)复合材料化学性能稳定、亲水性好、孔隙率高、对双酚类化学物吸附性能强。
（3）本发明所用原材料成本低、材料制备过程简单、吸附速率快、吸附容量较高、便于回收利用，作为高效吸附材料即可用作水环境中双酚类化合物的快速富集去除，也可用作前处理过程萃取剂，结合仪器分析建立双酚类物质的高灵敏检测方法。
附图说明
图1为MIL-101和EGDMA用量优化。
图2为MIL-101（a）和MIL-101@P(NIPAM-AM)（b）的傅里叶变换红外光谱图。
图3为MIL-101（a）和MIL-101@P(NIPAM-co-AM)（b）的X-射线衍射图。
图4为MIL-101（a）和MIL-101@P(NIPAM-co-AM)（b）的扫描电镜图。
图5为MIL-101（a）和MIL-101@P(NIPAM-co-AM)（b）的热重分析图。
图6为MIL-101@P(NIPAM-co-AM)对不同酚类化合物的吸附性能。
图7为MIL-101@P(NIPAM-co-AM)对BPA的吸附动力学曲线。
图8为MIL-101@P(NIPAM-co-AM)对BPA的吸附等温线。
具体实施方式
为了使本发明上述特征和优点更加清楚和容易理解，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
下述实施例中所述偶氮二异丁腈使用前需重结晶纯化，其他所用试剂均为市售，使用前未经任何处理。
实施例1
为了得到性能最佳的吸附材料，本研究首先对复合材料组成体系进行了优化，具体参数见表1，确定复合材料合成体系为：以MIL-101作为支持载体，以AM和NIPAM作为混合功能单体，以EGDMA作为交联剂，AIBN为引发剂，采用热引发方式；进一步对聚合反应中支持载体MIL-101和交联剂EGDMA用量进行了优化；
(1) 亲水性有机框架材料MIL-101合成
采用水热法在50 mL水溶液中加入0.2g九水硝酸铬、0.8g对苯二甲酸和50μL 40％氢氟酸，溶解混合均匀后，转移至75 mL高压反应釜内，220oC加热反应8 h，冷却至室温，用超纯水洗涤3次，离心收集绿色粉末状产物，干燥后得到MIL-101。
(2) 将混合功能单体溶于有机溶剂中，在室温下磁力搅拌0.5～6 h后，后加入金属有机框架材料，继续搅拌0.5～3 h，加入交联剂和引发剂，充分溶解后超声1～30 min，通N2 1～60 min后，30～90oC恒温水浴孵化24 h；
(3) 抽滤，用醇溶液洗去未反应物后，真空干燥，研磨、过筛，得到金属有机框架@共聚物复合材料MIL-101@P(NIPAM-co-AM)。
图1是MIL-101和EGDMA用量的优化。交联剂（10、15、20 mmol）和支持载体（10、20、30、40、50 mg）的加入量会影响合成材料的交联度和表面吸附位点分布，从而影响材料对目标物的吸附，在保证聚合物合成状态良好的情况下，通过吸附量作为评价指标，确定最佳交联剂的加入量为15 mmol，最佳支持载体MIL-101的用量为30 mg。
实施例2
更好地理解本发明提供的吸附材料的性能，对合成所用基础材料MIL-101以及合成后的复合材料MIL-101@P(NIPAM-co-AM)进行了红外光谱、X-射线衍射、电子扫描电镜表征及热重分析和吸附性能测试。
图2是MIL-101和MIL-101@P(NIPAM-co-AM)的傅里叶红外光谱图，相较于MIL-101（a），图（b）MIL-101@P(NIPAM-co-AM)的红外光谱中，1720 cm-1处出现强吸收峰为伯酰胺中C=O的特征峰，1540 cm-1出现酰胺Ⅱ类吸收峰，877 cm-1为伯胺基团中N-H面外变形振动引起，证明AM的存在；1380 cm-1和1460 cm-1为NIPAM中CH3基团的不对称弯曲振动引起，从而证实NIPAM和AM成功实现了在MIL-101表面的交联聚合。
图3是MIL-101和MIL-101@P(NIPAM-co-AM)的X-射线衍射图，图（a）中呈现的主要衍射峰位角（2θ）为5.12°、8.42°、9.05°、16.49°、17.30°，与MIL-101晶体的衍射峰位角一致，说明MIL-101成功合成；图（b）中，由于P(NIPAM-co-AM)聚合物交联网络的包覆作用，使得嵌入内部的MIL-101特征衍射峰未被检出，只是在10°~20°范围内出现一个宽而强的衍射峰。
图4为MIL-101和MIL-101@P(NIPAM-co-AM)材料的扫描电镜图，由图可知，合成的MIL-101是具有正八面体结构的规则晶体，复合材料MIL-101@P(NIPAM-co-AM)呈现出致密且排列规整的交联网状结构，在整体材料中未见单分散相MIL-101，证明MIL-101材料实现了P(NIPAM-co-AM)网络中良好嵌入。
图5为MIL-101（a）和MIL-101@P(NIPAM-co-AM)（b）的热重分析图。与MIL-101（a）相比，MIL-101@P(NIPAM-co-AM)材料呈现出更高的热稳定性，在50°C~300°C内，质量并无明损失，说明聚合物的引入起到了对金属框架材料的保护作用。
图6为MIL-101@P(NIPAM-co-AM)对不同酚类化合物的吸附性能。从图中可知，相比于苯酚、邻苯二酚单苯环结构的物质，MIL-101@P(NIPAM-co-AM)对双酚A及系列化合物（BPA、BPB、BPF、BPS、BPAF）的吸附容量显著增强，说明材料对双酚类化学物具有较高的选择吸附性能。
图7为MIL-101@P(NIPAM-co-AM)对BPA的吸附动力学曲线，实验中选用BPA作为双酚类化合物的典型代表物，考察了合成材料对初始浓度为100 mg L-1 BPA的吸附速率，开始的15 min内呈现出极高的吸附速率，当吸附时间为0.5 min时，吸附量达到最高吸附容量的82.6%，吸附时间为25 min时，吸附达到平衡。
图8为MIL-101@P(NIPAM-co-AM)对BPA的吸附等温线，考察了室温下MIL-101@P(NIPAM-co-AM)对浓度范围为25 mg L-1~600 mg L-1的BPA的吸附情况，其吸附量随底物浓度增大呈现线性增加趋势，当浓度为600 mg L-1时，吸附量达183.4 mg g-1，此时吸附仍未达到饱和，由于BPA溶解度限制，且实际环境中存在浓度远低于此浓度，因此实验中并未进一步增加底物浓度。
实施例3
复合材料组成体系的优化（如表1所示）。分别考察了以AM作为功能单体、以AM和NIPAM为混合功能单体、及加入支持载体MIL-101三种组合体系下合成聚合物对目标物的吸附情况，从表1可知，吸附量最优的聚合物合成体系为：以MIL-101作为支持载体，以AM和NIPAM作为混合功能单体。并对体系中MIL-101和EGDMA的加入量进行了优化，结果如图1所示，将AM和NIPAM作为混合功能单体，溶于DMSO溶剂中，MIL-101用量为40 mg，对交联剂用量（10、15、20 mmol）进行了优化，其最佳用量为15 mmol，此时吸附量最高。在此条件下，进一步优化了支持载体的用量（10、20、30、40、50 mg），其较佳用量为30、40 mg，但40 mg时复合材料所需聚合时间增加，所以本实验最终选用MIL-101用量为30 mg。
表1是复合材料材料组成体系的优化
Figure DEST_PATH_IMAGE002
实施例4
研究该材料对不同酚类物质的吸附性能。称取20 mg的MIL-101@P(NIPAM-co-AM)于25mL容量瓶中，分别加入10 mL 100 mg L-1的BPA、BPB、BPF、BPS、BPAF、苯酚、邻苯二酚的标准溶液，室温孵育1 h，离心，取上清液测其吸光度，计算吸附量，结果见图6，材料对双酚A及系列化合物BPB、BPF、BPS、BPAF的吸附量均在30 mg g-1以上，明显高于单苯环结构的双酚类物质邻苯二酚（3.9 mg g-1）和单酚类物质苯酚（7.4 mg g-1）。证明材料对双酚A及系列化合物具有较好的吸附选择性。
实施例5
以BPA作为双酚类化合物的典型代表物，考察材料对目标物的动态吸附性能。称取20mg的MIL-101@P(NIPAM-co-AM)于25 mL容量瓶中，分别加入10 mL 100 mg L-1 BPA、标准溶液，测定不同孵育时间（0.5~60 min）材料对BPA的吸附能力，如图7所示，材料对BPA的吸附速率极高，吸附量随吸附时间的延长先增大而后趋于平衡，当孵育时间为25 min时吸附达到平衡。
实施例6
以BPA作为双酚类化合物的代表物，考察材料对目标物的静态吸附行为。称取20 mg的MIL-101@P(NIPAM-co-AM)于25 mL容量瓶中，分别加入10 mL不同浓度（25~600 mg L-1）的BPA标准溶液，室温孵育1 h，测定材料对BPA的吸附量，结果如图8所示，随着底物浓度的增大，材料对目标物的吸附量快速增大。
实施例7
将合成材料作为固相萃取吸附剂，考察材料对5种双酚类物质的分离富集性能。称取15mg MIL-101@P(NIPAM-co-AM)作为固相萃取吸附剂，填充于空固相萃取小柱中。分别用3 mL甲醇和水对填充好的固相萃取柱进行活化。使用5种双酚类物质混合标准溶液上样，其浓度0.1 mg L-1，上样体积为50 mL，上样流速为1 mL min-1，目标物被吸附到固相萃取柱中的MIL-101@P(NIPAM-co-AM)材料上，未被吸附的杂质作为废液排出，后用甲醇溶液将目标物洗脱，收集洗脱液，氮气吹干，0.5 mL甲醇复溶，过0.45 μm有机滤膜，取20 μL样液进行高效液相色谱分析。考察材料作为固相萃取吸附剂，对BPA及其系列物的富集作用。以该材料作为吸附剂，经过此固相萃取流程，可以实现对BPA、BPB、BPF、BPS、BPAF 5种双酚类化合物良好的净化富集，以0.1 mg L-1 浓度的混合标标准溶液为例，其富集倍数分别为94.2、96.1、84.7、83.1、85.8倍；将未检出目标物的样品作为空白，使用混合溶液进行添加回收实验，其中BPA、BPB、BPF、BPS的添加水平为2.5 μg L-1，BPAF的添加水平为5.0 μg L-1，结果如表2所示，该材料对5种双酚类物质均具有良好回收率（94.3%、96.2%、84.3%、82.9%、85.6%），证实材料具有较高的实用价值，可以实现水环境中双酚类化合物的高效分离富集。
表2 MIL-101@P(NIPAM-co-AM)作为固相萃取吸附剂，对水中5种双酚类化合物的添加回收率
Figure DEST_PATH_IMAGE004
本发明所述实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据本发明内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双酚类化合物高效吸附材料的制备方法，其特征在于，由金属有机框架材料填充在共聚物的交联网络结构中构成，其制备方法包括如下步骤：
(1) 亲水性有机框架材料MIL-101合成；
采用水热法在50 mL水溶液中加入0.2g九水硝酸铬、0.8g对苯二甲酸和50μL 40％氢氟酸，溶解混合均匀后，转移至75 mL高压反应釜内，220oC加热反应8 h，冷却至室温，用超纯水洗涤3次，离心收集绿色粉末状产物，干燥后得到MIL-101；
(2) 将混合功能单体溶于有机溶剂中，在室温下磁力搅拌0.5～6 h后，后加入金属有机框架材料，继续搅拌0.5～3 h，加入交联剂和引发剂，充分溶解后超声1～30 min，通N2 1～60 min后，30～90oC恒温水浴孵化24 h；
(3) 抽滤，用醇溶液洗去未反应物后，真空干燥，研磨、过筛，得到金属有机框架@共聚物复合材料MIL-101@P(NIPAM-co-AM)。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述混合功能单体为丙烯酰胺（AM）和N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）；所述有机溶剂为二甲基亚砜；所述交联剂为二甲基丙烯酸乙二醇酯；所述引发剂为AIBN。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述丙烯酰胺（AM）和N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）的摩尔比为5:1～1:5，优选的，摩尔比为2:1；所述AM和MIL-101的质量比为1:1~1:10，优选的，质量比为1:7。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述在室温下磁力搅拌2h；加入金属有机框架材料后，继续搅拌1h；所述超声为2min；所述通氮气为5min。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述混合功能单体与交联剂的摩尔比为1:1～1:10，优选的，摩尔比为4:15。
6.根据权利要求1、2或5所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述混合功能单体和引发剂的摩尔比为10:1。
7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述金属有机框架在有机溶液中的悬浮浓度为 0.5 mg/mL～5 mg/mL；优选的，悬浮液浓度为2 mg/mL。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述水浴孵化温度为60℃；所述真空干燥的温度为30～120℃、干燥时间为6～24 h，优选的，温度为60 ℃，时间为12 h。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述醇溶液为甲醇。
10.一种如权利要求1～9任一项所述的制备方法制备的材料在吸附、萃取、富集、分析检测双酚类化合物中的应用，其特征在于，所述双酚类化合物为BPA、BPB、BPF、BPS、BPAF。
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