CN104761680A - 一种具有重金属捕集作用的纳米淀粉基絮凝剂的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有重金属捕集作用的纳米淀粉基絮凝剂的制备方法。所述的纳米淀粉基絮凝剂以纳米淀粉为基本骨架，在聚合物修饰改性的基础上得到具有重金属捕集作用的污水絮凝剂。所述的纳米淀粉基污水絮凝剂的制备方法包括：(1)先利用氢氧化钠/尿素/水混合溶剂的碱解冻融方法制备纳米淀粉；(2)纳米淀粉进一步交联得到交联纳米淀粉；(3)交联纳米淀粉在引发丙烯酰胺自由基聚合得到交联纳米淀粉丙烯酰胺聚合物；(4)交联纳米淀粉丙烯酰胺聚合物在碱性条件下与二硫化碳作用得到具有重金属捕集和絮凝作用的交联纳米淀粉丙烯酰胺黄原酸酯。本发明制备的纳米淀粉基絮凝剂具有絮凝和重金属捕集双重作用，本絮凝剂具有用量少、处理成本低，净水效率高等优点，特别适合城市给水、工业废水和生活污水处理，是一种高效环保的有机高分子絮凝剂。

Description

一种具有重金属捕集作用的纳米淀粉基絮凝剂的制备方法

技术领域

本发明属于有机高分子技术领域，尤其涉及一种具有重金属捕集作用的纳米淀粉基絮凝剂的制备方法。

背景技术

随着我国社会工业化、城市化的发展，以水质污染加剧、水资源日益减少、水生态环境恶化为主要特征的环境问题日趋严重，已成为制约经济社会发展的瓶颈。近20年，大量工业和生活污水不达标排放加重了水体污染，特别是有机物污染，严重的影响人群的健康。

污水的净化处理就成了解决这一难题的重要途径之一。絮凝沉降法是目前国内外普遍采用的一种既经济又简便的水处理方法。而新型、高效、无毒的絮凝剂，则是絮凝法的核心，絮凝剂按其化学组成可分为无机絮凝剂和有机絮凝剂。其中，无机絮凝剂投加量大，产污泥量大；有机高分子絮凝剂主要有合成和天然改性两种。天然高分子具有分子量分布广、活性基团多、结构多样化等特点，且来源广泛、价廉、可生物降解。天然有机高分子絮凝剂在水处理中应用具有悠久的历史，但其使用量低于人工合成高分子絮凝剂，究其原因是天然高分子絮凝剂电荷密度较小，分子量低，且易发生生物降解而失去活性。

纳米科学技术是20世纪80年代末刚刚诞生并正在崛起的新科技。纳米微粒尺寸小，表面能高，纳米微粒具有很强的吸附能力。利用纳米粒子的强吸附能力来强化絮凝一般有两种方式：(1)在絮凝过程中投加纳米微粒，利用其超强的吸附能力，吸附溶解性有机污染物，然后通过絮凝方法凝聚吸附了有机污染物的纳米微粒，从而达到将污染物从水中分离的目的；(2)将纳米颗粒与絮凝剂配比混合后直接投加使用。

结合纳米材料在絮凝过程中的强吸附性和天然淀粉高分子的环境友好性、可再生、价格低廉的优点，为解决目前絮凝剂效果不理想的问题提供了新的思路。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种具有重金属捕集作用的纳米淀粉基絮凝剂的制备方法，本发明制备的纳米淀粉基絮凝剂具有絮凝和重金属捕集双重作用，本絮凝剂具有用量少、处理成本低，净水效率高等优点，特别适合城市给水、工业废水和生活污水处理，是一种高效环保的有机高分子絮凝剂。

本发明提供了一种具有重金属捕集作用的纳米淀粉基絮凝剂的制备方法，包括以下步骤：

1)先利用氢氧化钠/尿素/水混合溶剂的碱解冻融方法制备纳米淀粉；

2)纳米淀粉进一步交联得到交联纳米淀粉；

3)交联纳米淀粉在引发丙烯酰胺自由基聚合得到交联纳米淀粉丙烯酰胺聚合物；

4)交联纳米淀粉丙烯酰胺聚合物在碱性条件下与二硫化碳作用得到具有重金属捕集和絮凝作用的交联纳米淀粉丙烯酰胺黄原酸酯。

优选的，所述的纳米淀粉的平均粒径为50-300nm。

优选的，所述的淀粉为玉米淀粉、蜡质玉米淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉、大米淀粉中的任意一种。

具体实施方式

本发明提供一种具有重金属捕集作用的纳米淀粉基絮凝剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将淀粉溶于氢氧化钠/尿素/水混合溶剂中(混合溶剂的组成为2-10％的氢氧化钠，0-10％的尿素，其余为水)，低温(-15℃)或室温强机械搅拌3小时后冻融处理，然后透析，冷冻干燥，得到纳米淀粉NSt；

(2)将NSt溶于5.0％的氢氧化钠溶液中，调节溶液pH值为10，机械搅拌均匀后，逐步滴加环氧氯丙烷(环氧氯丙烷的体积为NSt重量比的0.5-3倍，体积单位为mL，重量单位为g)，30℃油浴，反应8h后，冷却到室温，用盐酸调节pH值为7。然后用乙醇沉降，减压抽滤，得到交联纳米淀粉粗产物。再用乙醇洗涤两次，60℃真空干燥，得到交联纳米淀粉CNSt；

(3)将CNSt分批加入到盛有蒸馏水的烧瓶中，45℃油浴匀速机械搅拌成糊后，加入40％丙烯酰胺水溶液(溶液的体积为CNSt重量的5-20倍，体积单位为mL，重量单位为g)，氮气保护下，逐滴滴加0.01mol/L硝酸铈铵溶液5-20mL，反应3h后，粗产品用乙醇沉降洗涤，60℃真空干燥，得到交联纳米淀粉丙烯酰胺聚合物CNSA；

(4)在盛有CNSA的三角瓶中加入一定体积的30％氢氧化钠溶液，磁搅拌，缓慢滴入1-10mL浓度为1.5mol/L二硫化碳溶液，45℃反应2小时后，粗产物用丙酮溶液洗3次，60℃真空干燥，得到交联纳米淀粉丙烯酰胺黄原酸酯，一种具有重金属捕集的纳米淀粉基污水絮凝剂。

在本发明中，所述的淀粉为玉米淀粉、蜡质玉米淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉、大米淀粉中的任意一种。

与现有技术相比，本发明以纳米淀粉为基本骨架，在聚合物修饰改性的基础上得到具有重金属捕集作用的污水絮凝剂。本发明制备的纳米淀粉基絮凝剂具有絮凝和重金属捕集双重作用，本絮凝剂具有用量少、处理成本低，净水效率高等优点，特别适合城市给水、工业废水和生活污水处理，是一种高效环保的有机高分子絮凝剂。

为了进一步说明本发明，结合以下实施例对本发明提供的具有重金属捕集作用的纳米淀粉基絮凝剂的制备方法进行详细描述。

以下各实施例中所用原料均为从市场上购得。

实施案例1-3不同粒径的纳米淀粉的制备

分别称取10g玉米淀粉分别溶于氢氧化钠/尿素/水比例为2/4/94、6/4/90和6/10/84的混合溶剂中，低温(-15℃)强机械搅拌(1000rpm)3小时后冻融处理，然后透析，冷冻干燥，得到粒径为170nm、90nm和300nm的纳米淀粉NSt。

实施案例4-5不同交联度的交联纳米淀粉的制备

以粒径为90nm的纳米淀粉为例。将10g NSt溶于5.0％的氢氧化钠溶液中，调节溶液pH值为10，机械搅拌均匀后，分别逐步滴加环氧氯丙烷5mL和10mL，30℃油浴，反应8h后，冷却到室温，用盐酸调节pH值为7。然后用乙醇沉降，减压抽滤，得到交联纳米淀粉粗产物。再用乙醇洗涤两次，60℃真空干燥，得到交联纳米淀粉CNSt1和CNST2。

实施案例6-7交联纳米淀粉丙烯酰胺聚合物的制备

将案例4-5所得的CNSt1和CNSt2，分别称取10g加入到盛有蒸馏水的烧瓶中，45℃油浴匀速机械搅拌成糊后，加入40％丙烯酰胺水溶液100mL，重量，氮气保护下，逐滴滴加0.01mol/L硝酸铈铵溶液10mL，反应3h后，粗产品用乙醇沉降洗涤，60℃真空干燥，得到交联纳米淀粉丙烯酰胺聚合物CNSA1和CNSA2，聚丙烯酰胺的接枝率分别为48％和36％。

实施案例8-9交联纳米淀粉丙烯酰胺黄原酸酯的制备

将案例6-7所得的CNSA1和CNSA2，分别称取10g溶于15mL的30％氢氧化钠溶液中，磁搅拌，缓慢滴入4mL浓度为1.5mol/L二硫化碳溶液，45℃反应2小时后，粗产物用丙酮溶液洗3次，60℃真空干燥，得到交联纳米淀粉丙烯酰胺黄原酸酯CNASX1和CNASX2，一种具有重金属捕集的纳米淀粉基污水絮凝剂。

实施案例10纳米淀粉基絮凝剂对水溶液中重金属和浊度的絮凝去除效果

分别配制含有重金属Cu²⁺、Cr⁶⁺、Ni²⁺的水溶液，5％的高岭土悬浊液。将案例8-9所得的纳米淀粉基絮凝剂CNASX1和CNASX2配制成4g/L的溶液。两种絮凝剂CNASX1和CNASX2对上述重金属离子的去除率分别为98％、96％、92％和96％、93％、90％。对高岭土水样的浊度去除率分别为92％和86％。

Claims (2)

1.一种具有重金属捕集作用的纳米淀粉基絮凝剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将淀粉溶于氢氧化钠/尿素/水混合溶剂中(混合溶剂的组成为2-10％的氢氧化钠，0-10％的尿素，其余为水)，低温(-15℃)或室温强机械搅拌3小时后冻融处理，然后透析，冷冻干燥，得到纳米淀粉NSt；

(2)将NSt溶于5.0％的氢氧化钠溶液中，调节溶液pH值为10，机械搅拌均匀后，逐步滴加环氧氯丙烷(环氧氯丙烷的体积为NSt重量比的0.5-3倍，体积单位为mL，重量单位为g)，30℃油浴，反应8h后，冷却到室温，用盐酸调节pH值为7。然后用乙醇沉降，减压抽滤，得到交联纳米淀粉粗产物。再用乙醇洗涤两次，60℃真空干燥，得到交联纳米淀粉CNSt；

(3)将CNSt分批加入到盛有蒸馏水的烧瓶中，45℃油浴匀速机械搅拌成糊后，加入40％丙烯酰胺水溶液(溶液的体积为CNSt重量的5-20倍，体积单位为mL，重量单位为g)，氮气保护下，逐滴滴加0.01mol/L硝酸铈铵溶液5-20mL，反应3h后，粗产品用乙醇沉降洗涤，60℃真空干燥，得到交联纳米淀粉丙烯酰胺聚合物CNSA；

(4)在盛有CNSA的三角瓶中加入一定体积的30％氢氧化钠溶液，磁搅拌，缓慢滴入1-10mL浓度为1.5mol/L二硫化碳溶液，45℃反应2小时后，粗产物用丙酮溶液洗3次，60℃真空干燥，得到交联纳米淀粉丙烯酰胺黄原酸酯，一种具有重金属捕集的纳米淀粉基污水絮凝剂。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的淀粉为玉米淀粉、蜡质玉米淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉、大米淀粉中的任意一种。