CN111992181B - 一种阳离子环糊精基水凝胶吸附材料及其合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阳离子环糊精基水凝胶吸附材料及其合成方法。该材料的合成方法是将β‑环糊精与2,3‑环氧丙基三甲基氯化铵按照一定比例混合，在碱性溶液中不断搅拌，完成β‑环糊精阳离子化，获得β‑环糊精阳离子衍生物，将β‑环糊精阳离子衍生物、丙烯酰胺(或丙烯酸)及亚甲基双丙烯酰胺三种反应物进行自由基聚合反应，一次性合成凝胶物质，然后进行干燥，制备出的阳离子环糊精基水凝胶吸附材料。该材料对水中磷系阻燃剂、阴离子染料、有机磷农药等有机污染物具有良好的吸附作用、易于制备、具有优异的溶胀性能、在pH为3‑11范围稳定性好、抗离子干扰能力强、能够多次再生循环使用、无二次污染，具有极大的应用前景。

Description

一种阳离子环糊精基水凝胶吸附材料及其合成方法
技术领域
本发明属于复合材料与环境科学技术领域，具体涉及一种阳离子环糊精基水凝胶吸附材料的合成方法。
背景技术
随着工业化进程的日益加快和国民经济的高速发展，越来越多污染物进入的环境介质，导致环境质量的恶化。其中，有机污染物种类繁多，产生的有机废水也成为水体污染控制领域面临的的严峻问题。染料废水作为一种代表性的有机废水，具有水量大、有机污染物含量高、碱性大、水质变化大等特点；其中带有偶氮基团(-N＝N-)、芳香环和磺酸盐基团的阴离子染料可能具有毒性和潜在致癌性；有机磷农药的废水通常具有高盐、难生化、组分复杂、COD和总磷含量高等特点，譬如草甘膦是一种具有极强的内吸、传导性灭杀效果的除草剂，此类除草剂还具有广泛的生殖毒性、诱导突变等一些环境激素效应，对环境和人体健康存在潜在危害性。除此之外，磷系阻燃剂(OPFRs)是一类典型的磷酸酯类有机物，研究证明，OPFRs具有各种毒性，能够导致细胞活性的降低和畸形率的增高，对人类健康和生物安全产生严重危害。磷系阻燃剂在生产过程中产生大量难降解有机废水，具有COD浓度较高，含有较多不溶性、难降解有机物和总磷的特点。
环糊精作为一组通过淀粉生物降解得到的由D-吡喃葡萄糖单元通过α-1,4-糖苷键连接而成的环状低聚糖，环糊精具有“内腔疏水，外壁亲水”的特殊结构和性质。β-环糊精价廉易得，应用最广。β-环糊精可以于水相中模拟酶的疏水口袋，与一系列有机分子形成包合物，广泛应用于环境污染物的吸附和萃取、水不溶性药物分子的包结和增溶、水相有机合成反应的促进和催化、超分子仿酶体系的设计与构筑等领域。2,3-环氧丙基三甲基氯化铵是重要的环氧季铵盐类精细化工中间体，本身具有活性季铵基和环氧基，在水溶液中现正电特性，能和许多有机物反应，生成阳离子型或两性离子型水溶性聚合物，副反应少，具有广阔的应用前景。
合成高分子水凝胶主要是由单体在一定条件下，通过引发剂引发自由基聚合而成。近年来，水凝胶吸附材料因其三维网络结构、好的溶胀性能和溶胀后能保持良好特性得优势，已经作为一种新型的吸附剂引起广泛关注。
发明专利(CN1140411.6)公开一种水体净化吸附剂聚环糊精的制备方法。它是利用环糊精或其衍生物为单体，在溶剂中，与交联剂及模板剂的共同作用下，反应生成聚合物，与活性炭相比，成膜性好，但该发明对有机物的吸附容量较低。
发明专利(CN201511027625.8)公开一种阳离子型β-环糊精衍生物及其制备方法和应用。它是利用单-6-乙二胺-β-环糊精作为单体，制备获得阳离子型β-环糊精衍生物，可改善亲脂性化合物在水中的溶解度，但该发明用于药用辅料，选择性包合含酚羟基的亲脂性化合物。
发明专利(CN201110360256.X)公开一种用于油田废水处理的带环糊精侧基水凝胶及其制备方法。它是提供的带环糊精侧基水凝胶因环糊精外腔亲水内腔疏水的特殊结构，使得环糊精能够吸附一定量的亲油性物质及重金属离子，本制备方法产品为水凝胶吸附剂，但该方法制备吸附剂仅适用于含有重金属离子等阳离子污染物的油田废水处理。
发明专利(CN201710366495.3)公开了一种环糊精改性纳米球污泥调理剂及其制备方法。该发明将环糊精和三甲基氯化铵在酸性条件下反应，制备污泥调理剂。该发明作为污泥处理的絮凝剂在进行污泥脱水前加入所述环糊精改性纳米球污泥调理剂，然后再利用压滤机进行脱水。
综上所述，已有的环糊精基吸附剂主要是利用其结构中含有多个具有反应活性的羟基官能团，同时具有外腔亲水内腔疏水的特征，能自发地捕获疏水型有机分子及重金属离子，但现有的环糊精基吸附剂对水中阴离子型有机物及磷系阻燃剂等有机物的吸附量少且研究较少，达不到理想的效果；同时，环糊精本身易溶于水，故必须经聚合后才能作为优良的吸附剂，环糊精经阳离子化后聚合，既保持了其捕获有机分子的能力，又兼具水凝胶良好的溶胀性能，较好的稳定性和化学可调性等。
本专利制备的一种阳离子环糊精基水凝胶吸附材料的原料价格低廉，易获取，制备步骤简单；吸附材料上可以高效去除水中如磷系阻燃剂、阴离子染料等有机污染物，浓度范围为2～2000mg/L，且吸附剂具有吸附量高、吸附速率快、抗离子干扰能力强、结构稳定等特点，具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种阳离子环糊精基水凝胶吸附材料的合成方法；
本发明的目的之二在于将上述阳离子环糊精基水凝胶吸附材料用于含微量有机物的污水厂出水和地表水的处理；
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种阳离子环糊精基水凝胶吸附材料的合成方法，其特征在于，按照如下步骤合成：
(1)将β-环糊精溶于0.4-40wt.％氢氧化钠溶液中，形成混合溶液；向溶液中加入一定质量比的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，加热50-80℃搅拌2-12小时；60-80℃真空干燥至恒重，获得黄色黏性物质，即为β-环糊精阳离子衍生物；
(2)取所得β-环糊精阳离子衍生物按一定质量比与丙烯酰胺或丙烯酸混合，再加入一定比例的纯水，搅拌0.5-2小时，获得溶液A；
(3)溶液A加入一定比例的交联剂、加速剂和引发剂，常温下进行搅拌，引发自由基聚合反应，生成阳离子环糊精基水凝胶；
(4)将水凝胶浸泡水洗12-48h后60-80℃烘干，所得固体材料研磨处理，获得粉末备用。
优选地，所述β-环糊精与2,3-环氧丙基三甲基氯化铵质量比为1：2-20，优选为1：6.5。
优选地，所述的步骤(1)中氢氧化钠溶液的浓度为0.4-40wt.％，优选为0.8wt.％。
优选地，所述的步骤(1)中加热50-80℃搅拌2-12小时，优选为70℃搅拌4小时。
优选地，所述的步骤(1)中60-80℃真空干燥至恒重，优选80℃。
优选地，β-环糊精阳离子衍生物按一定质量比与丙烯酰胺或丙烯酸混合，再加入一定比例的纯水，搅拌0.5-2小时，优选为2：1：1，搅拌1h。
优选地，交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，所述加速剂为N,N,N',N'-四甲基乙二胺(TEMED)，引发剂为饱和过硫酸钾溶液(KPS)。
优选地，所述的步骤(4)中浸泡水洗12-48h后60-80℃烘干，优选为浸泡水洗48h后80℃烘干。
优选地，磷系阻燃剂、草甘膦以及阴离子型染料等有机污染物，浓度范围为2-2000mg/L，优选为50mg/L。
本发明所得的磁性水凝胶吸附材料可用于含微量有机物的污水厂出水和地表水的处理，具有以下优点：
(1)本发明采用自由基聚合法合成阳离子环糊精基水凝胶吸附材料，所得材料溶胀性能优异，溶胀率可达800％以上，同时具有机械强度高，稳定性强，比表面积大，材料吸水性强的特点；
(2)本发明制备的阳离子环糊精基水凝胶吸附材料含有大量活性吸附位点，可实现对水中磷系阻燃剂、草甘膦以及阴离子型染料等有机污染物的高效快速吸附；
(3)本发明原料价格低廉，易获取，制备工艺简单，工艺流程简单，无需高温高压等操作，合成过程能耗较低，具有良好的再生性能，易于大规模制备。
附图说明
图1为本发明阳离子环糊精基水凝胶吸附材料的合成方法示意图。
图2为本发明所得阳离子环糊精基水凝胶吸附材料对应时间点的溶胀图片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面通过具体的实施例来对本发明作进一步的详细描述。
实施例1
将1gβ-环糊精溶于25ml 0.8wt.％氢氧化钠溶液中，搅拌至完全混匀，向溶液中加入6.5g的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，加热70℃搅拌4小时；80℃真空干燥至恒重，获得β-环糊精阳离子衍生物。
将所得β-环糊精阳离子衍生物溶于2.5ml水中，加入2.5g丙烯酰胺，室温下搅拌1h，转速为500rpm。再加入0.2g交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，搅拌至交联剂MBA完全溶解后，加入0.25mL加速剂N,N,N',N'-四甲基乙二胺(TEMED)。当以上物质混合均匀后，加引发剂5mL饱和过硫酸钾溶液(KPS)溶液，常温搅拌至水凝胶生成。将生成的水凝胶转移到玻璃瓶中，浸没于去离子水中48小时，每6h更换一次去离子水，以洗去未反应的物质如单体、交联剂、引发剂和加速剂等。最后将制成的水凝胶烘干，磨成粉末备用。
制得粉末用于处理含磷酸三(2-氯乙基)酯(TCEP)的水，水中磷酸三(2-氯乙基)酯浓度为0-100mg/L，投加量为0.5g/L，溶液体系为50mL，pH设置为7.0±0.2，温度为25±1℃，振荡时间为24h。测得该磁性水凝胶吸附材料对磷酸三(2-氯乙基)酯的最大吸附量为128.3mg/g(即每克该磁性水凝胶吸附材料吸附128.3mg TCEP)。
实施例2
将1.5gβ-环糊精溶于25ml 0.8wt.％氢氧化钠溶液中，搅拌至完全混匀，向溶液中加入10.5g的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，加热70℃搅拌4小时；80℃真空干燥至恒重，获得β-环糊精阳离子衍生物。
将所得β-环糊精阳离子衍生物溶于2.5ml水中，加入2.5g丙烯酸，室温下搅拌1h，转速为500rpm。再加入0.2g交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，搅拌至交联剂MBA完全溶解后，加入0.25mL加速剂N,N,N',N'-四甲基乙二胺(TEMED)。当以上物质混合均匀后，加引发剂5mL饱和过硫酸铵溶液(APS)溶液，常温搅拌至水凝胶生成。将生成的水凝胶转移到玻璃瓶中，浸没于去离子水中48小时，每6h更换一次去离子水，以洗去未反应的物质如单体、交联剂、引发剂和加速剂等。最后将制成的水凝胶烘干，磨成粉末备用。
制得粉末用于处理含磷酸三(2-氯乙基)酯(TCEP)的水，水中磷酸三(2-氯乙基)酯浓度为0-100mg/L，投加量为0.5g/L，溶液体系为50mL，pH设置为7.0±0.2，温度为25±1℃，振荡时间为24h。测得该磁性水凝胶吸附材料对磷酸三(2-氯乙基)酯的最大吸附量为93.2mg/g(即每克该磁性水凝胶吸附材料吸附93.2mg TCEP)。
实施例3
将1gβ-环糊精溶于25ml 8wt.％氢氧化钠溶液中，搅拌至完全混匀，向溶液中加入10.5g的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，加热70℃搅拌6小时；80℃真空干燥至恒重，获得β-环糊精阳离子衍生物。
将所得β-环糊精阳离子衍生物溶于2.5ml水中，加入1g丙烯酸，室温下搅拌1h，转速为500rpm。再加入0.2g交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，搅拌至交联剂MBA完全溶解后，加入0.25mL加速剂N,N,N',N'-四甲基乙二胺(TEMED)。当以上物质混合均匀后，加引发剂5mL饱和过硫酸钾溶液(KPS)溶液，常温搅拌至水凝胶生成。将生成的水凝胶转移到玻璃瓶中，浸没于去离子水中48小时，每6h更换一次去离子水，以洗去未反应的物质如单体、交联剂、引发剂和加速剂等。最后将制成的水凝胶烘干，磨成粉末备用。
制得粉末用于处理含草甘膦的水，水中草甘膦浓度为0-200mg/L，投加量为0.5g/L，溶液体系为50mL，pH设置为7.0±0.2，温度为25±1℃，振荡时间为24h。测得该磁性水凝胶吸附材料对草甘膦的最大吸附量为56.4mg/g(即每克该磁性水凝胶吸附材料吸附56.4mg草甘膦)。
实施例4
将2gβ-环糊精溶于25ml 10wt.％氢氧化钠溶液中，搅拌至完全混匀，向溶液中加入6.5g的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，加热70℃搅拌4小时；80℃真空干燥至恒重，获得β-环糊精阳离子衍生物。
将所得β-环糊精阳离子衍生物溶于2.5ml水中，加入1.5g丙烯酰胺，室温下搅拌1h，转速为500rpm。再加入0.2g交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，搅拌至交联剂MBA完全溶解后，加入0.25mL加速剂N,N,N',N'-四甲基乙二胺(TEMED)。当以上物质混合均匀后，加引发剂5mL饱和过硫酸钾溶液(KPS)溶液，常温搅拌至水凝胶生成。将生成的水凝胶转移到玻璃瓶中，浸没于去离子水中48小时，每6h更换一次去离子水，以洗去未反应的物质如单体、交联剂、引发剂和加速剂等。最后将制成的水凝胶烘干，磨成粉末备用。
制得粉末用于处理含刚果红的水，水中刚果红浓度为0-1500mg/L，投加量为0.3g/L，溶液体系为50mL，pH设置为7.0±0.2，温度为25±1℃，振荡时间为24h。测得该磁性水凝胶吸附材料对刚果红的最大吸附量为976.2mg/g(即每克该磁性水凝胶吸附材料吸附976.2mg刚果红)。
实施例5
将1gβ-环糊精溶于25ml 40wt.％氢氧化钠溶液中，搅拌至完全混匀，向溶液中加入3.5g的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，加热70℃搅拌4小时；80℃真空干燥至恒重，获得β-环糊精阳离子衍生物。
将所得β-环糊精阳离子衍生物溶于2.5ml水中，加入0.1g丙烯酰胺，室温下搅拌1h，转速为500rpm。再加入0.05g交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，搅拌至交联剂MBA完全溶解后，加入0.2mL加速剂N,N,N',N'-四甲基乙二胺(TEMED)。当以上物质混合均匀后，加引发剂0.6mL饱和过硫酸钾溶液(KPS)溶液，常温搅拌至水凝胶生成。将生成的水凝胶转移到玻璃瓶中，浸没于去离子水中48小时，每6h更换一次去离子水，以洗去未反应的物质如单体、交联剂、引发剂和加速剂等。最后将制成的水凝胶烘干，磨成粉末备用。
制得粉末用于处理含草甘膦的水，水中草甘膦浓度为0-200mg/L，投加量为0.5g/L，溶液体系为50mL，pH设置为7.0±0.2，温度为25±1℃，振荡时间为24h。测得该磁性水凝胶吸附材料对草甘膦的最大吸附量为173.12mg/g(即每克该磁性水凝胶吸附材料吸附173.12mg草甘膦)。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.阳离子环糊精基水凝胶吸附材料，其特征在于：采用碱性水溶液法使β-环糊精与2,3-环氧丙基三甲基氯化铵发生开环反应，获得β-环糊精阳离子衍生物，将该衍生物与丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺/该衍生物与丙烯酸和亚甲基双丙烯酰胺进行自由基聚合反应，一次性合成后进行干燥，得到阳离子环糊精基水凝胶吸附材料，能实现对水中有机污染物的高效吸附。
2.一种如权利要求1所述的阳离子环糊精基水凝胶吸附材料的合成方法，其特征在于，按照如下步骤合成：
（1）将β-环糊精溶于0.4~40wt.%氢氧化钠溶液中，形成混合溶液；向溶液中加入一定质量比的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，加热至50-80℃搅拌2~12小时；60-80℃真空干燥至恒重，获得黄色黏性物质，即为β-环糊精阳离子衍生物；
（2）取所得β-环糊精阳离子衍生物按一定质量比与丙烯酰胺或丙烯酸混合，再加入一定比例的纯水，搅拌0.5-2小时，获得溶液A；
（3）溶液A加入一定比例的交联剂、加速剂和引发剂，常温下进行搅拌，引发自由基聚合反应，生成阳离子环糊精基水凝胶；
（4）将阳离子环糊精基水凝胶浸泡水洗12-48 h后60-80℃烘干，所得固体材料研磨处理，获得粉末备用。
3.如权利要求2所述的一种阳离子环糊精基水凝胶吸附材料的合成方法，其特征在于，所述的步骤（1）中β-环糊精与2,3-环氧丙基三甲基氯化铵质量比为5-15：1。
4.如权利要求2所述的一种阳离子环糊精基水凝胶吸附材料的合成方法，其特征在于，所述的步骤（3）中交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，加速剂为N,N,N',N'-四甲基乙二胺，引发剂为饱和过硫酸铵溶液、饱和过硫酸钾溶液中的一种或它们的组合。
5.如权利要求2所述的一种阳离子环糊精基水凝胶吸附材料的合成方法，其特征在于，所述合成方法制备的阳离子环糊精基水凝胶吸附材料的结构稳定，具有较强的吸水溶胀性，可以实现对阴离子污染物的专属吸附，在pH为3-11范围稳定性好、抗离子干扰能力强、能够多次再生循环使用、无二次污染，对水中一种或多种污染物具有良好的去除性能。
6.如权利要求5所述的一种阳离子环糊精基水凝胶吸附材料的合成方法，其特征在于：水中一种或多种污染物包括微量有机污染物、磷系阻燃剂、磷系除草剂以及阴离子型染料，阴离子型染料为偶氮染料、酸性染料、活性红染料。
7.如权利要求2所述的一种阳离子环糊精基水凝胶吸附材料的合成方法，其特征在于，所述合成方法制备的阳离子环糊精基水凝胶吸附材料可以通过化学再生或物理化学组合进行再生。
8.如权利要求7所述的一种阳离子环糊精基水凝胶吸附材料的合成方法，其特征在于，再生方法中化学药剂选择乙醇、NaOH、NaCl、HCl中一种或多种，物理方法选择加热和超声中的一种，其脱附顺序为先进行化学脱附，然后进行物理化学同时脱附，其中，加热的温度范围为40-80℃，超声波的范围为50-1000W；化学试剂浓度范围为0-3M，其中化学试剂浓度不为0。
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