CN112191231A - 水凝胶包覆吸附剂材料及制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水凝胶包覆吸附剂材料及制备方法和应用，所述水凝胶包覆吸附剂材料呈球状，所述水凝胶包覆吸附剂由包括水凝胶和吸附剂的原料制得。使用的水凝胶是一种极为亲水的三维网状结构凝胶，污水中的水溶性污染物可以自由地在水凝胶中扩散或渗透，利用水凝胶作为包覆材料利于提高污水处理的效率，形成的吸附材料呈球状，球状水凝胶在水相中用作吸附剂，圆润的球状可大大降低材料之间的刮磨和磨损，具有延长吸附剂材料使用寿命的优势，并且球形的吸附材料容易回收和重复利用，适合多场景的规模化污水处理。

Description

水凝胶包覆吸附剂材料及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及污水处理领域，尤其是涉及一种水凝胶包覆吸附剂材料及制备方法和应用。
背景技术
随着工业化和城市化的快速发展，特别是在发展中国家，水污染正在不断加剧，而污水被认为是全球疾病和死亡的主要原因之一。在很多工业中，如皮革业、冶金、采矿、电池、纺织、医药、印染等行业会不断产生各类无机和有机污水，如重金属离子、有机染料、抗生素等等。所有重金属离子和大多数离子型有机化学物质都有一定毒性且不可生物降解，从而对整个生态系统造成不利影响。目前已开发出许多技术来去除水中的污染物，如化学沉淀、过滤、吸附、氧化等。在这些技术中，吸附技术因操作简单而广泛用于污水净化工艺中。目前，有很多吸附剂材料已产业化生产，如活性炭、硅藻土、高岭土、沸石、聚合物树脂、二氧化硅等等，但这些传统吸附剂的吸附量低、吸附速率慢、回收利用困难。为了提高吸附量及提升吸附速率，许多具有高比表面积的微纳米材料，如纳米颗粒、纳米带、纳米线、纳米片、纳米花、纳米管等材料相继被研发出来。然而，由于微纳米吸附剂的尺寸很小，难以在吸附后从水中完全除去，残留的微纳米吸附剂可能对水造成二次污染，这需要额外的分离处理工艺，如高速离心、过滤、磁性分离等，从而增加了污水处理的成本。
为解决微纳米吸附剂回收和重复利用困难的技术问题，目前科学家们研究了多种方法来固定微纳米材料，例如，Yu等人以碲(Te)纳米线为模板，通过水热法合成了碳纳米纤维，并将碳纳米纤维悬浮液浇铸到聚四氟乙烯基材表面制备了自支持的以碳纳米纤维相互交织而成的宏观膜材料。所得的碳纳米纤维膜对离子污染物的吸附效率高，并且具有良好的可重复利用性，但是该方法不具有通用性，其成膜的原因是基于长径比大的微纳米纤维可以交织的组装到一起形成膜材料，而不适合于其它结构的纳米吸附剂材料。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种水凝胶包覆吸附剂材料及制备方法和应用，该水凝胶包覆吸附剂材料能够适用多种结构的吸附剂材料，廉价、吸附量大、易于回收和重复利用。
本发明的第一方面，提供水凝胶包覆吸附剂材料，所述水凝胶包覆吸附剂材料呈球状，所述水凝胶包覆吸附剂材料由包括水凝胶和吸附剂的原料制得。
根据本发明实施例的水凝胶包覆吸附剂材料，至少具有如下有益效果：
本发明实施例利用水凝胶包覆吸附剂，使用的水凝胶是一种极为亲水的三维网状结构凝胶，污水中的水溶性污染物可以自由地在水凝胶中扩散或渗透，利用水凝胶作为包覆材料利于提高污水处理的效率，形成的吸附材料呈球状，球状水凝胶在水相中用作吸附剂，圆润的球状可大大降低材料之间的刮磨和磨损，具有延长吸附剂材料使用寿命的优势，并且球形的吸附材料容易回收和重复利用，适合多场景的规模化污水处理。
根据本发明的一些实施例的水凝胶包覆吸附剂材料，所述吸附剂为微米材料或纳米材料。
根据本发明的一些实施例的水凝胶包覆吸附剂材料，所述吸附剂包括Fe3O4纳米颗粒、SiO2纳米颗粒、氧化石墨烯纳米片中的至少一种。
根据本发明的一些实施例的水凝胶包覆吸附剂材料，所述水凝胶包括琼脂糖、纤维素、海藻酸、壳聚糖、胶原、聚L-赖氨酸、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺中的至少一种。
本发明的第二方面，提供水凝胶包覆吸附剂材料的制备方法，包括以下步骤：
取水凝胶，加入水溶解，50～100℃加热形成水凝胶前驱体；
在所述水凝胶前驱体中加入吸附剂，混合均匀，得到混合悬浮液；
吸取所述混合悬浮液，加入油相中，形成球状的水凝胶包覆吸附剂材料。
根据本发明实施例的水凝胶包覆吸附剂材料的制备方法，至少具有如下有益效果：
本发明实施例中水的密度为1.0g/mL，较通常油相的密度大很多，将加热的水凝胶前驱体与吸附剂形成的混合悬浮液加入到油相中时，由于水和油的不互溶特性，水溶胶前驱体溶液会在油相中冷却下沉并形成水凝胶小球，油相的密度越接近水凝胶前驱体的密度，越能够充分保证形成的水凝胶包覆吸附剂材料的小球在下降的过程中有充分的时间进行冷却，本发明实施例能够通过调整油相的密度、混合悬浮液加入的方式等途径来保证水凝胶小球的顺利制备。此外制备的过程中，油相中不需要加入乳化剂，也就避免了洗涤有毒化学试剂的麻烦，本发明实施例只需将水凝胶前驱体与吸附剂形成的混合悬浮液加入油相便可形成宏观小球，在对污水进行吸附处理后更便于回收。
根据本发明的一些实施例的制备方法，所述油相为混合油。相较于单一的油相而言，使用混合油更容易控制混合的油相密度接近于水的密度但少小于水，如此可在同等高度的油相中，水凝胶从油面落入油底部的时间会大大延长，从而避免了水凝胶小球落至底部尚未完全冷却而有可能会粘到一起的问题。
根据本发明的一些实施例的制备方法所述混合油选自烷烃、卤代烷烃、苯系物。优选所述烷烃为C10～C16的长链烷烃。
根据本发明的一些实施例的制备方法，所述混合油选自癸烷、十二烷、十六烷、二氯乙烷、三氯乙烷、甲苯、甲苯衍生物中的至少两种。
根据本发明的一些实施例的制备方法，所述混合油为三氯甲烷和十二烷的混合液。
根据本发明的一些实施例的制备方法，还包括将所述水凝胶包覆吸附剂材料转移至水相中进行纯化的步骤。上述方法获得的水凝胶包覆吸附剂材料的小球颗粒会沉在油相的底部，由于水凝胶与油相的不互溶性，可直接将上层油相倒出，取出水凝胶小球，也可以用多孔滤勺直接在油相中将水凝胶小球捞出。当取出水凝胶小球后，将其转移至水相中，其表面的油会浮至水面，从而实现纯化。关于水表面油的去除可采用多种油水分离膜技术实现油的回用，此处不做详述。
根据本发明的一些实施例的制备方法，所述油相在容器中的高度＞20cm。
根据本发明的一些实施例的制备方法，加入油相中的方式为滴加或者迅速挤出。利用移液枪或其它方式(如微流控)吸取加热好的混合悬浮液，逐滴或迅速挤出至油相中，此时水凝胶和吸附剂的混合物会在油相中逐渐下沉并冷却，这就形成了水凝胶包覆吸附剂材料的小球。其中，逐滴加入的方式可保证在同一区域下降过程中，上一个水凝胶小球颗粒与下一个水凝胶小球颗粒不会因为未来得及冷却而在油相中发生合并；迅速挤出的方式则要保证边挤压液体时边沿着容器移动移液枪，这样可保证一次性产出很多的水凝胶颗粒且不会粘到一起。
根据本发明的一些实施例的制备方法，所述吸附剂包括Fe3O4纳米颗粒、SiO2纳米颗粒、氧化石墨烯中的至少一种。
根据本发明的一些实施例的制备方法，所述水凝胶包括琼脂糖、纤维素、海藻酸、壳聚糖、胶原、聚L-赖氨酸、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺中的至少一种。
本发明的第三方面，提供上述的水凝胶包覆吸附剂材料或根据上述的水凝胶包覆吸附剂材料的制备方法制得的材料在污水处理中的应用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明实施例1中水凝胶包覆吸附剂小球的制备示意图；；
图2为本发明实施例1中制备的琼脂糖水凝胶包覆氧化石墨烯纳米片材料的照片及其不同倍率下的扫描电子显微镜照片；
图3为本发明实施例1中制备的琼脂糖水凝胶包覆SiO2纳米颗粒吸附甲基橙和甲基蓝染料前后的照片；
图4为多种纳米吸附剂(Fe3O4、SiO2、氧化石墨烯)及本发明实施例1制备的系列的水凝胶包覆吸附剂材料对四环素、亚甲基蓝、甲基橙和Cu2+的吸附量对比图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供系列的水凝胶包覆吸附剂材料，按照以下步骤制备：
(1)水凝胶前驱体的制备：称取一定质量的琼脂糖(凝胶化温度为36℃)置于水中，使其在水中的质量分数为1.5％，搅拌，加热并使温度恒定在70℃直至其全部溶解得到琼脂糖水溶液。
(2)混合悬浮液的制备：分别称取一定质量的微纳米吸附剂固体材料(Fe3O4纳米颗粒、SiO2纳米颗粒、氧化石墨烯纳米片)置于上述步骤(1)琼脂糖水溶液中，称取的吸附剂固体材料的质量是琼脂糖水溶液质量的1/10，搅拌均匀得到水凝胶前驱体与吸附剂形成的混合悬浮液，并使温度恒定在70℃。
(3)油相的配制：油相为二氯乙烷和十六烷的混合液，二者体积比为2:3，将量取的二氯乙烷倒入十六烷中或将十六烷倒入二氯乙烷中，用玻璃棒搅拌使其均匀互溶得到油相，另保证油相在容器中的高度大于20厘米。
参见图1，利用1-5毫升移液枪吸取上述步骤(2)的混合悬浮液，逐滴滴入油相中，形成水凝胶包覆吸附剂小球。
(4)利用多孔滤勺将油相中水凝胶小球取出，将其转移至水相中脱去表面油，水相中保存即可。
图2为本实施例制备的琼脂糖水凝胶包覆氧化石墨烯纳米片材料的照片(a)及其不同倍率下的扫描电子显微镜照片(b和c)，从图中可以看出本实施例成功制备出球形的水凝胶包覆吸附剂材料，并且该材料中吸附剂分散均匀，内部呈三维网络结构，利于后续对污水进行处理。
将本实施例制备的系列的水凝胶包覆吸附剂材料(分别包覆Fe3O4纳米颗粒、SiO2纳米颗粒、氧化石墨烯纳米片)，加入到四环素溶液、亚甲基蓝溶液、甲基橙溶液和Cu2+溶液中进行吸附实验。
其中，琼脂糖水凝胶包覆SiO2纳米颗粒吸附甲基橙和亚甲基蓝染料前后的照片如图3所示，图3中(a)表示琼脂糖水凝胶包覆SiO2纳米颗粒吸附前的照片，(b)表示吸附甲基橙染料后的照片，(c)表示吸附亚甲基蓝染料后的照片。从图中可以看出，利用本发明的方法制备出的水凝胶包覆吸附剂材料具有吸附作用。
多种纳米吸附剂(Fe3O4、SiO2、氧化石墨烯)及本实施例制备的系列的水凝胶包覆吸附剂材料对四环素、亚甲基蓝、甲基橙和Cu2+的吸附量对比如图4所示，从图中可以看出，以水凝胶作为载体制备出的水凝胶包覆吸附剂材料具有较高的吸附量，利用本发明的制备方法制备出的水凝胶包覆吸附剂小球与吸附剂本身相比，吸附量未出现明显下降，可见水凝胶载体的加入对吸附剂的吸附量影响不大，表明水凝胶的三维网络结构利于溶液进入其内部，从而利于包裹的吸附剂与目标吸附物发生吸附作用。此外，利用本发明的制备方法形成的宏观小球尺寸可调，制备方法简单，无特殊设备及场地要求，油相可重复回收利用，成本低，易于大规模生产，且吸附量无明显下降，吸附速率快、易于回收和重复利用，解决了微纳米吸附剂在水处理工艺中回收难和二次污染的难题。
实施例2
本实施例提供系列的水凝胶包覆吸附剂材料，按照以下步骤制备：
(1)水凝胶前驱体的制备：称取一定质量的琼脂糖(凝胶化温度为36℃)置于水中，使其在水中的质量分数为1.5％，搅拌，加热并使温度恒定在70℃直至其全部溶解得到琼脂糖水溶液。
(2)混合悬浮液的制备：分别称取一定质量的微纳米吸附剂固体材料(Fe3O4纳米颗粒)置于上述步骤(1)琼脂糖水溶液中，称取的吸附剂固体材料的质量是琼脂糖水溶液质量的1/10，搅拌均匀得到水凝胶前驱体与吸附剂形成的混合悬浮液，并使温度恒定在70℃。
(3)油相的配制：油相为三氯乙烷和十二烷的混合液，二者体积比为1:2，将量取的三氯乙烷倒入十二烷中或将十二烷倒入三氯乙烷中，用玻璃棒搅拌使其均匀互溶得到油相，另保证油相在容器中的高度大于20厘米。
利用微流控装置吸取上述步骤(2)的混合悬浮液，逐滴滴入油相中，形成水凝胶包覆吸附剂小球。
(4)利用多孔滤勺将油相中水凝胶小球取出，将其转移至水相中脱去表面油，水相中保存即可。
取本实施例制备得到的水凝胶包覆吸附剂材料按照实施例1的方式进行吸附四环素实验，实验结果表明该材料相较于吸附剂本身，吸附量未出现明显下降，具有较好的吸附效果。
实施例3
本实施例提供系列的水凝胶包覆吸附剂材料，按照以下步骤制备：
(1)水凝胶前驱体的制备：称取一定质量的琼脂糖(凝胶化温度为36℃)置于水中，使其在水中的质量分数为3％，搅拌，加热并使温度恒定在70℃直至其全部溶解得到琼脂糖水溶液。
(2)混合悬浮液的制备：分别称取一定质量的微纳米吸附剂固体材料(SiO2纳米颗粒)置于上述步骤(1)琼脂糖水溶液中，称取的吸附剂固体材料的质量是琼脂糖水溶液质量的1/10，搅拌均匀得到水凝胶前驱体与吸附剂形成的混合悬浮液，并使温度恒定在70℃。
(3)油相的配制：油相为二氯乙烷和十六烷的混合液，二者体积比为2:3，将量取的二氯乙烷倒入十六烷中或将十六烷倒入二氯乙烷中，用玻璃棒搅拌使其均匀互溶得到油相，另保证油相在容器中的高度大于20厘米。
利用1-5毫升移液枪吸取上述步骤(2)的混合悬浮液，沿着容器迅速移动移液枪的同时迅速挤出液体至油相中，形成水凝胶包覆吸附剂小球。
(4)利用多孔滤勺将油相中水凝胶小球取出，将其转移至水相中脱去表面油，水相中保存即可。
取本实施例制备得到的水凝胶包覆吸附剂材料按照实施例1的方式进行吸附亚甲基蓝实验，实验结果表明该材料相较于吸附剂本身，吸附量未出现明显下降，具有较好的吸附效果。

Claims (10)

1.水凝胶包覆吸附剂材料，其特征在于，所述水凝胶包覆吸附剂材料呈球状，所述水凝胶包覆吸附剂材料由包括水凝胶和吸附剂的原料制得。
2.根据权利要求1所述的水凝胶包覆吸附剂材料，其特征在于，所述吸附剂包括微米材料或纳米材料，优选包括Fe3O4纳米颗粒、SiO2纳米颗粒、氧化石墨烯纳米片中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的水凝胶包覆吸附剂材料，其特征在于，所述水凝胶包括琼脂糖、纤维素、海藻酸、壳聚糖、胶原、聚L-赖氨酸、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺中的至少一种。
4.水凝胶包覆吸附剂材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
取水凝胶，加入水溶解，50～100℃加热形成水凝胶前驱体；
在所述水凝胶前驱体中加入吸附剂，混合均匀，得到混合悬浮液；
吸取所述混合悬浮液，加入油相中，形成球状的水凝胶包覆吸附剂材料。
5.根据权利要求4所述的水凝胶包覆吸附剂材料的制备方法，其特征在于，所述油相为混合油；优选，所述混合油选自烷烃、卤代烷烃、苯系物。
6.根据权利要求5所述的水凝胶包覆吸附剂材料的制备方法，其特征在于，所述混合油选自癸烷、十二烷、十六烷、二氯乙烷、三氯乙烷、甲苯、甲苯衍生物中的至少两种。
7.根据权利要求4所述的水凝胶包覆吸附剂材料的制备方法，其特征在于，还包括将所述水凝胶包覆吸附剂材料转移至水相中进行纯化的步骤。
8.根据权利要求4至7任一项所述的水凝胶包覆吸附剂材料的制备方法，其特征在于，所述油相在容器中的高度＞20cm。
9.根据权利要求4至7任一项所述的水凝胶包覆吸附剂材料的制备方法，其特征在于，加入油相中的方式为滴加或者迅速挤出。
10.权利要求1至3任一项所述的水凝胶包覆吸附剂材料或根据权利要求4至9任一项所述的水凝胶包覆吸附剂材料的制备方法制得的材料在污水处理中的应用。
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