一種海藻酸鈉-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)保材料領(lǐng)域，具體涉及一種海藻酸鈉-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)發(fā)展、城鎮(zhèn)化提速以及人口數(shù)量的膨脹，我國面臨著十分嚴(yán)峻的水環(huán)境形勢。近幾年，中國重大環(huán)境污染以及事故頻頻發(fā)生，其中水污染事故占一半左右。據(jù)監(jiān)察部統(tǒng)計(jì)分析，我國每年水污染事故都在1700起以上，水污染已嚴(yán)重影響到人民群眾的生產(chǎn)生活。2015年4月16日，國務(wù)院正式發(fā)布《水污染防治行動計(jì)劃》，“水十條”出臺。關(guān)于水污染嚴(yán)重的原因主要受三個(gè)因素影響，一是工業(yè)污染；二是城市生活污水;三是面源污染，即農(nóng)田施用化肥、農(nóng)藥及水土流失造成的氮、磷等污染。工業(yè)廢水的排放是造成水體污染的主要原因。主要是因?yàn)楣I(yè)廢水中含有多種有害的重金屬離子(如鉻、鎘、銅、汞、鎳、鋅等)，這些離子如果處理不徹底會帶來嚴(yán)重的生態(tài)問題，例如“水俁病”和“痛痛病”。因此，污水中重金屬離子的除去是污水處理的重要研究課題。
[0003]吸附法對重金屬離子廢水具有很好的去除效率、能夠有效回收廢水中微量重金屬等特殊優(yōu)點(diǎn)，是一種處理重金屬離子的重要方法。用于重金屬離子吸附的水凝膠早有報(bào)道:吳鵬等制備了一種海藻酸鈉/纖維素水凝膠球，該復(fù)合凝膠球?qū)喖谆{(lán)、金胺O和臧紅T等陽離子染料有著良好的吸附效果，并且含有50%海藻酸鈉凝膠球?qū)喖谆{(lán)的吸附量為163.36mg/g(吳鵬，劉志明.海藻酸鈉/纖維素水凝膠球的制備與應(yīng)用.功能材料，2015，46(10):10144-10147);袁毅樺等制備了一種交聯(lián)殼聚糖/海藻酸鈉吸附劑，其對水相中的Cu2+具有良好的吸附性(袁毅樺，雷莉等.環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)殼聚糖/海藻酸鈉吸附銅離子的研究.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，40(7): 148-154)。
[0004]海藻酸鈉與二價(jià)及以上金屬離子能很好的絡(luò)合，具有較好的吸附性能;但是單純的海藻酸鈉在水中易溶脹，力學(xué)性能差，這大大限制了海藻酸鈉的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種海藻酸鈉-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠及其制備方法和應(yīng)用，所述海藻酸鈉-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠具有較好的力學(xué)性能和較高吸附效率，可有效吸附重金屬離子、陽離子染料等有害化學(xué)物質(zhì)，用于污水處理，還可用作組織工程支架等領(lǐng)域。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]—種海藻酸鈉-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠的制備方法，具體包括步驟如下:
[0008]I)將海藻酸鈉和丙烯酰胺按1: (5?12)的質(zhì)量比溶于水中，得均勻的混合液I;
[0009]2)依次將交聯(lián)劑、引發(fā)劑加入混合液I中，進(jìn)行真空除泡處理后加入催化劑得混合液II，其中交聯(lián)劑、引發(fā)劑、催化劑與丙烯酰胺的質(zhì)量比為(0.05?5): (0.1?2): (0.2?2.5):100;
[0010]3)將所得混合液II轉(zhuǎn)移至保護(hù)氣體氣氛的玻璃模具中，在40?70°C下保溫反應(yīng)I?6h，即得所述的海藻酸鈉-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠;將凝膠取出剪成均勻塊狀，用無水乙醇與去離子水每隔12小時(shí)交替洗滌，以除去未反應(yīng)的丙烯酰胺等小分子，冷凍干燥至恒重。[0011 ]上述方案中，所述混合液I中海藻酸鈉和丙烯酰胺的總濃度為10?20wt%。
[0012]上述方案中，所述交聯(lián)劑可選N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺、N，N’_二烯丙基酒石酸二酰胺、二乙烯基苯、多縮乙二醇二丙烯酸酯或多縮乙二醇二甲基丙烯酸酯等。
[0013]上述方案中，所述引發(fā)劑可選過硫酸銨、過硫酸鉀或過硫酸鈉等。
[0014]上述方案中，所述催化劑可選亞硫酸鈉、亞硫酸氫鈉或硫代硫酸鈉等。
[0015]上述方案中，所述真空脫泡處理?xiàng)l件為:抽真空至壓力為0.02?0.005MPa，時(shí)間為I ?3h0
[0016]優(yōu)選的，步驟3)中所述保溫反應(yīng)時(shí)間為1.5?2.5h。
[0017]上述方案中，所述保護(hù)氣體為氮?dú)饣驓鍤獾取?br>[0018]根據(jù)上述方案制備的海藻酸鈉-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠，其中丙烯酰胺與交聯(lián)劑聚合交聯(lián)形成的水凝膠三維網(wǎng)絡(luò)，海藻酸鈉線性分子穿插其中；且海藻酸鈉與丙烯酰胺發(fā)生接枝共聚，其長鏈上的羧基與聚丙烯酰胺上的氨基通過形成酰胺基團(tuán)進(jìn)行交聯(lián)。所得海藻酸鈉-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中節(jié)點(diǎn)①如圖中式(I)所示，節(jié)點(diǎn)②如圖中式(2)所示。
[0019]根據(jù)上述方案制備的海藻酸鈉-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠可用作重金屬離子的吸附劑，用于吸附分離銅離子、汞離子、鎘離子、鉛離子、鋅離子、鋇離子、鉻離子、錳離子、鈷離子、鎳離子或鎢離子等。
[0020]本發(fā)明所述海藻酸鈉-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠為海藻酸鈉與丙烯酰胺的接枝共聚物，丙烯酰胺與交聯(lián)劑聚合交聯(lián)形成的水凝膠三維網(wǎng)絡(luò);海藻酸鈉線性分子穿插其中，在真空無氧或少氧條件下，其長鏈上的羧基與聚丙烯酰胺上的氨基通過形成酰胺基團(tuán)進(jìn)行交聯(lián);所述真空除泡處理步驟能有效脫除混合溶液中的氣泡，減少甚至避免水凝膠中的應(yīng)力缺陷，提升其力學(xué)性能；同時(shí)真空脫泡能脫除反應(yīng)溶液中的氧氣，并結(jié)合引發(fā)體系，促進(jìn)海藻酸鈉與丙烯酰胺的交聯(lián)過程，提高所得水凝膠的力學(xué)性能。
[0021]本發(fā)明的有益效果為:
[0022]I)本發(fā)明一步反應(yīng)即可成型，涉及的制備工藝簡單，可制備各種形狀的水凝膠，且原料來源廣、成本低廉。
[0023]2)本發(fā)明所述除泡處理步驟能有效脫除混合溶液中的氣泡，使成型的水凝膠不會產(chǎn)生應(yīng)力缺陷，有效提升其力學(xué)性能；同時(shí)真空脫泡能脫除溶液中的氧氣，可有效促進(jìn)海藻酸鈉與丙烯酰胺的交聯(lián)過程，并縮短反應(yīng)時(shí)間。
[0024]3)本發(fā)明所述海藻酸鈉-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠具有良好的多價(jià)離子吸附能力和生物相容性等特點(diǎn)；同時(shí)海藻酸鈉穿插在聚丙烯酰胺水凝膠三維網(wǎng)絡(luò)中，并可實(shí)現(xiàn)海藻酸鈉與丙烯酰胺的接枝共聚，使所得水凝膠具有優(yōu)異的力學(xué)性能和抗溶脹性能。
[0025]4)本發(fā)明所得水凝膠在不同pH下具有敏感性，可與多種陽離子染料和重金屬離子產(chǎn)生分子間相互作用，適用于化學(xué)物質(zhì)的吸附分離及污水處理等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0026]圖1為海藻酸鈉-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2為本發(fā)明實(shí)施例5所得海藻酸鈉-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠在不同pH條件下的溶脹率。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明不僅僅局限于下面的實(shí)施例。
[0029]以下實(shí)施例如無具體說明，采用的試劑均為市售化學(xué)試劑或工業(yè)產(chǎn)品。
[0030]以下實(shí)施例中，溶脹性能的測試方法如下:將本發(fā)明所得海藻酸鈉-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠制成直徑1.0cm、高Imm的圓柱體試件，干燥至恒重后分別浸泡于pH為2、4、6、8的緩沖液中(25°C)，定期測量其質(zhì)量，直至達(dá)到溶脹平衡，以測試其溶脹性能。
[0031]吸附性能的測試方法如下:準(zhǔn)確稱取300mg冷凍干燥至恒重之后的海藻酸鈉-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠，在25°C下加入10ml濃度為5g/L的重金屬鹽水溶液中，進(jìn)行恒溫振蕩，用原子吸收光譜測得重金屬離子的吸附量，直至吸附平衡，計(jì)算樣品的最大吸附量。
[0032]壓縮測試的測試方法如下:采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)(RGM-30A)對干燥至恒重，直徑、高度均為1mm的柱狀海藻酸鈉-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠樣品進(jìn)行壓縮測試，壓縮形變?yōu)?0%，壓縮速率為2mm/min。
[0033]實(shí)施例1
[0034]—種海藻酸鈉-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠，其制備方法包括以下步驟:
[0035]室溫下將海藻酸鈉(SA)粉末和丙烯酰胺(AM)按1:5的質(zhì)量比溶解于離子水中，得均勻的混合液I，混合液I中海藻酸鈉和丙烯酰胺的總濃度為llwt%;再依次加入N，N’_二烯丙基酒石酸二酰胺和過硫酸鈉，溶解之后進(jìn)行真空除泡處理(抽真空至0.02MPa，時(shí)間為2h)，然后加入亞硫酸氫鈉混合均勻，其中N，N’_二烯丙基酒石酸二酰胺、過硫酸鈉、亞硫酸氫鈉與丙烯酰胺單體的質(zhì)量比分別為3.85:0.9:1.55:100,然后將所得溶液轉(zhuǎn)移至氮?dú)鈿夥盏牟Ａ＞咧校芊夂笤?0°C下保溫反應(yīng)2.5h，即成型制得所述海藻酸鈉-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠。
[0036]將成型的海藻酸鈉-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠取出剪成均勻塊狀，用無水乙醇與去離子水每隔12小時(shí)交替洗滌，洗滌四天，以除去未反應(yīng)的丙烯酰胺等小分子，冷凍干燥干燥至恒重。
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