CN112194234A - 一种基于高分子复合物原理的微纳米颗粒收集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于环境材料技术领域的一种基于高分子复合物原理的微纳米颗粒收集方法。包括如下步骤：向含0‑30wt％微纳米颗粒水体系中加入给、受体高分子材料和无机酸，然后搅拌生成不溶物质并分离；反应体系中加入量按重量份计：给体高分子材料5‑10份，受体高分子材料5‑10份，无机酸1‑2份，余量溶剂。给体高分子材料与受体高分子材料的质量比为1：1～2：1；给、受体高分子材料质量是微纳米颗粒质量的2～6％。本发明通过调节高分子复合物的非共价键作用位点数目，利用微纳米颗粒表面丰富的极性基团，与高分子链上的作用位点结合，使微纳米颗粒随高分子复合物形成凝胶或沉淀后分离，是一种高效的微纳米颗粒收集方法。

Description

一种基于高分子复合物原理的微纳米颗粒收集方法
技术领域
本发明属于环境材料技术领域，尤其涉及一种基于高分子复合物原理的微纳米颗粒收集方法。
背景技术
在众多水环境治理方法中，吸附剂法是一种简便、高效的方法。其主要特征是采用比表面积大、成本低且绿色的微纳米材料作为客体分子的吸附剂，在特定装置中对流动的污染水源进行清洁。然而，吸附后的纳米颗粒由于体积小、质量轻，往往难于收集。另一方面，许多吸附剂颗粒(尤其是纳米颗粒)在装置工作过程中，极易从设备中渗漏出，进入处理后的水中形成二次污染。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于高分子复合物原理的微纳米颗粒收集方法，包括如下步骤：向含有微纳米颗粒的水体系中加入受体高分子材料、给体高分子材料和无机酸形成反应体系，然后搅拌生成不溶物质并分离；
所述反应体系中加入量按重量份计：给体高分子材料5-10份，受体高分子材料5-10份，无机酸1-2份，余量溶剂；其中，给体高分子材料与受体高分子材料的质量比例关系为1：1～2：1；
水体系中，微纳米颗粒的含量为0～30wt％，给体高分子材料与受体高分子材料总质量是微纳米颗粒质量的2～6％。
所述给体高分子材料和受体高分子材料的分子量为104～106g/mol。
给体高分子材料为聚丙烯酸PAA、聚甲基丙烯酸PMAA、聚丙烯酸钠PAANa、聚甲基丙烯酸钠PMAANa中的一种或几种。
受体高分子材料为聚乙二醇PEO、聚N-异丙基丙烯酰胺PNIPAAM、聚丙烯酰胺PAAM中的一种或几种。
微纳米颗粒的粒径为微米级或纳米级。
所述微纳米颗粒为二氧化硅、介孔二氧化硅、活性炭、氧化铝中的一种或几种。
所述无机酸为盐酸、硝酸、磷酸中的一种或几种。
所述无机酸在体系中的质量浓度为0％～1％。
反应体系的溶剂为水。
一种基于高分子复合物原理的微纳米颗粒收集方法，包括以下步骤：
1)配置浓度范围为1mg/mL～10mg/mL的受体高分子材料水溶液；
2)配置浓度范围为1mg/mL～10mg/mL的给体高分子材料水溶液；
3)向100mL的含有0～30wt％微纳米颗粒的水体系中依次加入受体高分子材料水溶液和给体高分子材料水溶液各5～10mL，得到高分子复合物；
4)向步骤3)中的体系中加入无机酸3～5滴；
5)将步骤4)中的液体体系用玻璃棒充分搅拌，至生成凝胶或沉淀；
6)将步骤5)中的凝胶或沉淀用玻璃棒分离出体系。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所设计的微纳米颗粒收集方法，是一种操作简便、反应时间短且高效的收集方法，其搅拌收集时间在10s以内，收集效率即可达到100％。
2.本发明通过调节高分子复合物的非共价键作用位点数目，利用微纳米颗粒表面丰富的极性基团，与高分子链上的作用位点相结合，使体系中微纳米颗粒随高分子复合物倾向于形成凝胶或沉淀，进一步分离收集。
附图说明
图1是纯水体系的照片；
图2是加入了纳米级介孔二氧化硅的水分散体系照片；
图3是经过高分子复合物原理收集颗粒后，所形成的凝胶与沉淀照片；
图4是将图3中所形成的沉淀用玻璃棒分离出的照片。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
高分子复合物是一种两条高分子链间基于非共价键作用的组装体，其相互作用的强弱可通过改变作用位点数目来调节。当非共价键作用位点数目较少时，体系为澄清的溶液；当非共价键作用位点数目较多时，体系倾向于发生相分离而形成沉淀。作为吸附剂的微纳米颗粒，其表面往往具有丰富的极性基团，这些基团在一定条件下可以与高分子链上的羟基、羧基等官能团发生氢键作用，包裹在所形成的高分子复合物中。在一定的诱导条件下，可随高分子复合物一起沉淀分离出。
高分子复合物体系是上世纪中叶被科学家发现的一种高分子链间通过非共价键的协同作用而形成的一种多级结构组装体。近年来，高分子链的复合机制被科学家们用来制备水凝胶等块体材料，同时利用其所形成的网络受限空间作为微反应器，进行化学合成等研究。
本发明研究方法的侧重点在于，首先在二氧化硅分散液体系中加入聚乙二醇分子，利用聚乙二醇与二氧化硅颗粒的吸附作用，将分散在水中的颗粒与高分子链结合在一起。随后，加入足量的可以与聚乙二醇分子形成高分子复合物的聚丙烯酸分子。这样，聚丙烯酸分子可以定向地捕捉到所有二氧化硅纳米颗粒，从而达到收集纳米颗粒的目的。本发明开创了利用高分子复合物材料和应用收集纳米颗粒的方法；特别是为定向收集纳米颗粒提供了新思路。本研究方法所提出的先吸附，再收集的原理，是本研究方法与现存其他技术的差异性与创新性所在。
实施例1
如图1所示，在澄清的纯水体系中配置10mg/mL的PEO50k水溶液，配置10mg/mL的PAA10k水溶液，将共计10mL的两种溶液顺序加入到100mL分散有2g纳米级介孔二氧化硅颗粒的水体系中；PEO50k水溶液和PAA10k水溶液中，给体高分子材料与受体高分子材料的质量比为1：1；水质情况如图2所示。边搅拌边滴加37％的浓盐酸3-5滴，之后继续缓慢搅拌约10s，直至高分子复合物形成图3中凝胶。用玻璃棒分离出大部分带有介孔二氧化硅颗粒的沉淀，并将其余液体进行常压过滤，可得到图4所示的不含有微纳米颗粒的水溶液体系。
实施例2
配置8mg/mL的PNIPAAM50k水溶液，配置8mg/mL的PAA10k水溶液，将共计8mL的两种溶液顺序加入到100mL分散有1g介孔二氧化硅颗粒的水体系中；PNIPAAM50k水溶液和PAA10k水溶液中，给体高分子材料与受体高分子材料的质量比为2：1。边搅拌边滴加37％的浓盐酸3-5滴，之后继续缓慢搅拌约10s，直至高分子复合物形成凝胶或沉淀。用玻璃棒分离出大部分带有介孔二氧化硅颗粒的沉淀，并将其余液体进行常压过滤，可得到不含有微纳米颗粒的水溶液体系。
实施例3
配置6mg/mL的PEO50k水溶液，配置6mg/mL的PMAA10k水溶液，将共计10mL的两种溶液顺序加入到100mL分散有3g介孔二氧化硅颗粒的水体系中，PEO50k水溶液和PMAA10k水溶液中，给体高分子材料与受体高分子材料的质量比为1：1。边搅拌边滴加37％的浓盐酸5滴，之后继续缓慢搅拌约10s，直至高分子复合物形成凝胶或沉淀。用玻璃棒分离出大部分带有介孔二氧化硅颗粒的沉淀，并将其余液体进行常压过滤，可得到不含有微纳米颗粒的水溶液体系。
实施例4
配置6mg/mL的PNIPAAM50k水溶液，配置6mg/mL的PMAA10k水溶液，将共计5mL的两种溶液顺序加入到100mL分散有800mg介孔二氧化硅颗粒的水体系中，PNIPAAM50k水溶液和PMAA10k水溶液中，给体高分子材料与受体高分子材料的质量比为1：1。边搅拌边滴加37％的浓盐酸5滴，之后继续缓慢搅拌约10s，直至高分子复合物形成凝胶或沉淀。用玻璃棒分离出大部分带有介孔二氧化硅颗粒的沉淀，并将其余液体进行常压过滤，可得到不含有微纳米颗粒的水溶液体系。
实施例5
配置8mg/mL的PEO50k水溶液，配置8mg/mL的PAANa10k水溶液，将共计10mL的两种溶液顺序加入到100mL分散有2.5g介孔二氧化硅颗粒的水体系中，其中给体高分子材料与受体高分子材料的质量比为2：1。边搅拌边滴加37％的浓盐酸5滴，之后继续缓慢搅拌约10s，直至高分子复合物形成凝胶或沉淀。用玻璃棒分离出大部分带有介孔二氧化硅颗粒的沉淀，并将其余液体进行常压过滤，可得到不含有微纳米颗粒的水溶液体系。
实施例6
配置10mg/mL的PNIPAAM50k水溶液，配置10mg/mL的PMAANa10k水溶液，将共计5mL的两种溶液顺序加入到100mL分散有1.2g介孔二氧化硅颗粒的水体系中，其中给体高分子材料与受体高分子材料的质量比为1：1。边搅拌边滴加37％的浓盐酸5滴，之后继续缓慢搅拌约10s，直至高分子复合物形成凝胶或沉淀。用玻璃棒分离出大部分带有介孔二氧化硅颗粒的沉淀，并将其余液体进行常压过滤，可得到不含有微纳米颗粒的水溶液体系。
实施例7
配置5mg/mL的PAAM100k水溶液，配置5mg/mL的PAA20k水溶液，将共计10mL的两种溶液顺序加入到100mL分散有1g介孔二氧化硅颗粒的水体系中，给体高分子材料与受体高分子材料的质量比为2：1。边搅拌边滴加37％的浓盐酸3滴，之后继续缓慢搅拌约10s，直至高分子复合物形成凝胶或沉淀。用玻璃棒分离出大部分带有介孔二氧化硅颗粒的沉淀，并将其余液体进行常压过滤，可得到不含有微纳米颗粒的水溶液体系。
实施例8
配置3mg/mL的PEO100k水溶液，配置3mg/mL的PAA100k水溶液，将共计8mL的两种溶液顺序加入到100mL分散有800mg介孔二氧化硅颗粒的水体系中，给体高分子材料与受体高分子材料的质量比为1：1。边搅拌边滴加37％的浓盐酸3滴，之后继续缓慢搅拌约10s，直至高分子复合物形成凝胶或沉淀。用玻璃棒分离出大部分带有介孔二氧化硅颗粒的沉淀，并将其余液体进行常压过滤，可得到不含有微纳米颗粒的水溶液体系。
实施例9
配置5mg/mL的PAAM50k水溶液，配置5mg/mL的PAANa10k水溶液，将共计10mL的两种溶液顺序加入到100mL分散有1g介孔二氧化硅颗粒的水体系中，给体高分子材料与受体高分子材料的质量比为2：1。边搅拌边滴加37％的浓盐酸3滴，之后继续缓慢搅拌约10s，直至高分子复合物形成凝胶或沉淀。用玻璃棒分离出大部分带有介孔二氧化硅颗粒的沉淀，并将其余液体进行常压过滤，可得到不含有微纳米颗粒的水溶液体系。
工业实用性
本发明的基于高分子复合物原理的微纳米颗粒收集方法，是一种简单高效的微纳米颗粒收集方法。

Claims (10)

1.一种基于高分子复合物原理的微纳米颗粒收集方法，其特征在于，包括如下步骤：向含有微纳米颗粒的水体系中加入受体高分子材料、给体高分子材料和无机酸形成反应体系，然后搅拌生成不溶物质并分离；
所述反应体系中加入量按重量份计：给体高分子材料5-10份，受体高分子材料5-10份，无机酸1-2份，余量溶剂；其中，给体高分子材料与受体高分子材料的质量比例关系为1：1～2：1；
水体系中，微纳米颗粒的含量为0～30wt％，给体高分子材料与受体高分子材料总质量是微纳米颗粒质量的2～6％。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述给体高分子材料和受体高分子材料的分子量为104～106g/mol。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，给体高分子材料为聚丙烯酸PAA、聚甲基丙烯酸PMAA、聚丙烯酸钠PAANa、聚甲基丙烯酸钠PMAANa中的一种或几种。
4.根据权利要求2所述方法，其特征在于，受体高分子材料为聚乙二醇PEO、聚N-异丙基丙烯酰胺PNIPAAM、聚丙烯酰胺PAAM中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，微纳米颗粒的粒径为微米级或纳米级。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述微纳米颗粒为二氧化硅、介孔二氧化硅、活性炭、氧化铝中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述无机酸为盐酸、硝酸、磷酸中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述无机酸在体系中的质量浓度为0％～1％。
9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，反应体系的溶剂为水。
10.根据权利要求1-9任一项所述方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)配置浓度范围为1mg/mL～10mg/mL的受体高分子材料水溶液；
2)配置浓度范围为1mg/mL～10mg/mL的给体高分子材料水溶液；
3)向100mL的含有0-30wt％微纳米颗粒的水体系中依次加入受体高分子材料水溶液和给体高分子材料水溶液各5～10mL，得到高分子复合物；
4)向步骤3)中的体系中加入无机酸3～5滴；
5)将步骤4)中的液体体系用玻璃棒充分搅拌，至生成凝胶或沉淀；
6)将步骤5)中的凝胶或沉淀用玻璃棒分离出体系。
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