CN105540807A - 一种树枝状纤维素基两性絮凝脱色剂及其制备方法 - Google Patents

一种树枝状纤维素基两性絮凝脱色剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种树枝状纤维素基两性絮凝脱色剂及其制备方法。主要以纤维素材料作为分子骨架，并利用高碘酸钠氧化纤维素材料形成二醛纤维素，然后利用醛基与氨基进行席夫碱结构键合接枝聚乙烯亚胺形成，以水为溶剂进行依次添加纤维素材料、高碘酸钠和聚乙烯亚胺进行制备，通过改变纤维素材料和聚乙烯亚胺的质量比调控所述絮凝脱色剂的表面电荷特性和活性位点。本发明絮凝效能高、效果稳定、环境友好，在造纸、印染、含重金属等复杂水体净化处理中具有高效应用。

Description

一种树枝状纤维素基两性絮凝脱色剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及水处理工程技术领域，特别涉及一种树枝状纤维素基两性絮凝脱色剂及其制备方法。
背景技术
近年来，随着人们对环境问题的日益重视，环境污染处理新技术得到快速发展。其中，絮凝脱色技术具有经济、高效等优点，尤其是在脱除颗粒物质、染料、重金属等方面一直备受关注。
目前常用的絮凝脱色剂主要有以铝盐和铁盐为代表的无机高分子絮凝脱色剂和以人工化学合成的聚丙烯酰胺为代表的有机高分子絮凝脱色剂。无机絮凝剂虽然价格低廉，但其所形成的絮凝体较小，处理效果不稳定，应用条件范围小；而有机合成絮凝剂虽然产品稳定性好、絮凝效果好，但是存在合成成本高、单体危害大而且使用后的高分子絮凝剂难以被环境降解，对人体及环境都有潜在的危害。此外，工农业废水成分复杂，现有絮凝剂难以将废水中复杂多样的污染物有效去除。因此，开发高效稳定、环境友好的新型絮凝脱色剂成为当前水环境处理领域的研究热点之一。
发明内容
为克服现有技术存在应用范围小、处理效果不佳、对环境及人体存在潜在危害等问题，本发明提供了一种树枝状纤维素基两性絮凝脱色剂及其制备方法，絮凝效能高、效果稳定、环境友好，同时为纤维素可再生资源的高值化综合利用提供一种新途径。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
一、一种树枝状纤维素基两性絮凝脱色剂：
如图1所示，主要以含有纤维素材料作为分子骨架，在纤维素材料上进行氧化制得二醛纤维素键和接枝聚乙烯亚胺制备得到树枝状的所述絮凝脱色剂，图1的超分子只是提供一实例。
所述的纤维素材料采用羧甲基纤维素钠或者纤维素粉、废弃纸浆粕、木浆粕、棉浆粕等来源的纤维素材料中的一种。
所述絮凝脱色剂是以水为溶剂，以纤维素材料为分子骨架氧化后利用醛基与氨基形成席夫碱结构键合接枝不同分子量的聚乙烯亚胺制备而成。
二、一种树枝状纤维素基两性絮凝脱色剂的制备方法：
通过以水为溶剂，以纤维素材料为分子骨架，先利用高碘酸钠氧化纤维素材料形成二醛纤维素，再利用醛基与氨基形成席夫碱结构键合接枝聚乙烯亚胺上制备得到树枝状的所述絮凝脱色剂，并通过改变纤维素材料和聚乙烯亚胺的质量比调控所述絮凝脱色剂的表面电荷特性和活性位点。
其制备方法具体包括如下步骤：
1)将纤维素材料加入蒸馏水中，常温条件下磁力搅拌，得到均匀的纤维素悬液或溶液；
2)将高碘酸钠在磁力搅拌作用下加入步骤1)得到的纤维素悬液或溶液中，在35～75℃下氧化120～300min；
3)随后再加入分子量为600～10000的聚乙烯亚胺进行接枝反应，反应时间为120～240min，得到均匀的溶液；
4)将步骤3)得到的溶液加入到5倍体积的无水乙醇中，将混合物以8000rpm转速离心5min收集沉淀物，经离心洗涤干燥，即得树枝状所述纤维素基两性絮凝脱色剂。
所述步骤1)中纤维素材料与蒸馏水的质量比为1:80～120；所述步骤2)中加入的高碘酸钠与原料纤维素材料的质量比为0.5～4:1；所述步骤3)中加入的聚乙烯亚胺与原料纤维素材料的质量比为0.5～3:1。
所述的纤维素材料为羧甲基纤维素钠或者纤维素粉、废弃纸浆粕、木浆粕、棉浆粕等来源的纤维素材料中的一种。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：
1.应用范围广、絮凝脱色效能高：利用氧化接枝技术，在纤维素分子骨架上引入聚乙烯亚胺，得到树枝状的纤维素基絮凝脱色剂。通过改变聚乙烯亚胺与纤维素材料的质量比，可以有效调控絮凝脱色剂表面电性，扩大其对复杂水体的应用范围；树枝状絮凝脱色剂表面存在大量活性位点，产生“放大效应”，可以快速、大容量的絮凝脱除水体中的污染物。
2.合成方法简单：反应过程中以水为溶剂，利用高碘酸钠将纤维素材料氧化为二醛纤维素后，在较低温度下与聚乙烯亚胺利用席夫碱结构键合，且无需多级分离提纯，制备工艺简单，易于实现工业化生产。
3.环境友好：以纤维素和聚乙烯亚胺为原料，通过简单工艺制备的树枝状纤维素基两性絮凝脱色材料可生物降解，不会产生有害物质，对环境没有二次污染。
附图说明
图1为本发明利用羧甲基纤维素钠作为纤维素材料制备的絮凝脱色剂的超分子结构示意图。
图2为实施例1～5制备的絮凝脱色剂处理高岭土溶液的浊度-时间曲线。
图3为实施例3制备的絮凝脱色剂在不同pH值下的Zeta电位图。
图4为实施例3制备的絮凝脱色剂处理刚果红溶液的脱色率图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其有益效果，以下结合本发明的实施例及其附图进行具体说明。
本发明的实施例如下：
实施例1：
(1)将0.5g羧甲基纤维素钠加入40mL蒸馏水中，常温下磁力搅拌，得到均匀、透明的羧甲基纤维素钠溶液；
(2)将0.25g高碘酸钠在磁力搅拌作用下加入步骤(1)得到的羧甲基纤维素钠溶液中，在35℃下氧化120min；随后按照聚乙烯亚胺与羧甲基纤维素钠的质量比为0.5:1，加入分子量为600的聚乙烯亚胺，接枝反应120min，得到均匀、透明的溶液；
(3)将步骤(2)得到的溶液加入到5倍体积的无水乙醇中，将混合物8000rpm离心5min收集沉淀物，经离心洗涤干燥，即得树枝状的纤维素基两性絮凝剂。
本实施例制备的絮凝脱色剂形成浓度为2g/L溶液，在不同的pH下呈现不同的表面电荷特性如图3所示，其Zeta电位范围在-60～10mV，其对500mg/L的高岭土溶液的浊度去除率达到75.4％，对100ppm的酸性红染料的脱色率达到90％。
实施例2：
(1)将0.5g纸浆粕加入50mL蒸馏水中，常温下磁力搅拌，得到分散均匀的纤维素悬液；
(2)将0.5g高碘酸钠在磁力搅拌作用下加入步骤(1)得到的纤维素悬液中，在50℃下氧化120min；随后按照聚乙烯亚胺与纸浆粕的质量比为1:1，加入分子量为3000的聚乙烯亚胺，接枝反应150min，得到均匀、透明的溶液；
(3)将步骤(2)得到的溶液加入到5倍体积的无水乙醇中，将混合物8000rpm离心5min收集沉淀物，经离心洗涤干燥，即得树枝状的纤维素基两性絮凝剂。
本实施例制备的絮凝脱色剂形成浓度为2g/L溶液，在不同的pH下呈现不同的表面电荷特性如图3所示，其Zeta电位范围在-45～20mV，其对500mg/L的高岭土溶液的浊度去除率达到85.8％，对100ppm的活性红染料的脱色率达到92.93％。
实施例3：
(1)将0.5g木浆粕加入60mL蒸馏水中，常温下磁力搅拌，得到分散均匀的纤维素悬液；
(2)将0.5g高碘酸钠在磁力搅拌作用下加入步骤(1)得到的纤维素悬液中，在50℃下氧化180min；随后按照聚乙烯亚胺与棉浆粕的质量比为2:1，加入分子量为3500的聚乙烯亚胺，接枝反应180min，得到均匀的纤维素悬液；
(3)将步骤(2)得到的溶液加入到5倍体积的无水乙醇中，将混合物8000rpm离心5min收集沉淀物，经离心洗涤干燥，即得树枝状的纤维素基两性絮凝剂。
本实施例制备的絮凝脱色剂形成浓度为2g/L溶液，在不同的pH下呈现不同的表面电荷特性如图3所示，其Zeta电位范围在-35～30mV，其对500mg/L的高岭土溶液的浊度去除率达到98.8％，对100ppm的刚果红染料的脱色率达到97％，其脱色效果如图4所示。
实施例4：
(1)将1g羧甲基纤维素钠加入120mL蒸馏水中，常温下磁力搅拌，得到均匀、透明的羧甲基纤维素钠溶液；
(2)将2g高碘酸钠在磁力搅拌作用下加入步骤(1)得到的羧甲基纤维素钠溶液中，在60℃下氧化240min；随后按照聚乙烯亚胺与羧甲基纤维素钠的质量比为3:1，加入分子量为10000的聚乙烯亚胺，接枝反应240min，得到均匀、透明的羧甲基纤维素钠溶液；
(3)将步骤(2)得到的溶液加入到5倍体积的无水乙醇中，将混合物8000rpm离心5min收集沉淀物，经离心洗涤干燥，即得树枝状的纤维素基两性絮凝剂。
本实施例制备的絮凝脱色剂形成浓度为2g/L溶液，在不同的pH下呈现不同的表面电荷特性如图3所示，其Zeta电位范围在-15～45mV，其对500mg/L的高岭土溶液的浊度去除率达到97.6％，对100ppm的金黄染料的脱色率达到89.97％。
实施例5：
(1)将1g棉浆粕加入120mL蒸馏水中，常温下磁力搅拌，得到分散均匀的纤维素悬液；
(2)将4g高碘酸钠在磁力搅拌作用下加入步骤(1)得到的纤维素悬液中，在75℃下氧化300min；随后按照聚乙烯亚胺与棉浆粕的质量比为4:1，加入分子量为600的聚乙烯亚胺，接枝反应240min，得到均匀的纤维素悬液；
(3)将步骤(2)得到的溶液加入到5倍体积的无水乙醇中，将混合物8000rpm离心5min收集沉淀物，经离心洗涤干燥，即得树枝状的纤维素基两性絮凝剂。
本实施例制备的絮凝脱色剂形成浓度为2g/L溶液，在不同的pH下呈现不同的表面电荷特性如图3所示，其Zeta电位范围在-10～60mV，其对500mg/L的高岭土溶液的浊度去除率达到89.1％，对100ppm的曙红Y染料的脱色率达到90.57％。
上述实施例1、2、3、4、5制备获得的絮凝脱色剂形成浓度为2g/L的1mL溶液后，对100mL浓度为500g/L的高岭土溶液进行处理，以验证效果，最终获得浊度-时间曲线如图2所示。
可见本发明利用氧化接枝技术，在纤维素分子骨架上引入聚乙烯亚胺，得到的纤维素基絮凝脱色剂絮凝脱色效能高，其技术效果显著突出，并可有效调控表面电性，简单有效无污染。
以上列举的仅是本发明的具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种树枝状纤维素基两性絮凝脱色剂，其特征在于：主要以纤维素材料作为分子骨架，通过席夫碱结构接枝有聚乙烯亚胺。
2.根据权利要求1所述的一种树枝状纤维素基两性絮凝脱色剂，其特征在于：所述的纤维素材料采用羧甲基纤维素钠或者纤维素粉、废弃纸浆粕、木浆粕、棉浆粕等来源的纤维素材料中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的一种树枝状纤维素基两性絮凝脱色剂，其特征在于：所述絮凝脱色剂是以水为溶剂，以纤维素材料为分子骨架氧化后利用醛基与氨基形成席夫碱结构键合接枝聚乙烯亚胺制备而成。
4.一种树枝状纤维素基两性絮凝脱色剂的制备方法，其特征在于：通过以水为溶剂，以纤维素材料为分子骨架，先利用高碘酸钠氧化纤维素材料形成二醛纤维素，再利用醛基与氨基形成席夫碱结构接枝聚乙烯亚胺上制备得到树枝状的所述絮凝脱色剂，并通过改变纤维素材料和聚乙烯亚胺的质量比调控所述絮凝脱色剂的表面电荷特性和活性位点。
5.根据权利要求4所述的一种树枝状纤维素基两性絮凝脱色剂的制备方法，其特征在于具体包括如下步骤：
1)将纤维素材料加入蒸馏水中，常温条件下磁力搅拌，得到均匀的纤维素悬液或溶液；
2)将高碘酸钠在磁力搅拌作用下加入步骤1)得到的纤维素悬液或溶液中，在35～75℃下氧化120～300min；
3)随后再加入分子量为600～10000的聚乙烯亚胺进行接枝反应，反应时间为120～240min，得到均匀的溶液；
4)将步骤2)得到的溶液加入到5倍体积的无水乙醇中，将混合物以8000rpm转速离心5min收集沉淀物，经离心洗涤干燥，即得树枝状所述纤维素基两性絮凝脱色剂。
6.根据权利要求5所述的一种树枝状纤维素基两性絮凝脱色剂的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中纤维素材料与蒸馏水的质量比为1:80～120；所述步骤2)中加入的高碘酸钠与原料纤维素材料的质量比为0.5～4:1；所述步骤3)中加入的聚乙烯亚胺与原料纤维素材料的质量比为0.5～3:1。
7.根据权利要求4～6任一所述的一种树枝状纤维素基两性絮凝脱色剂的制备方法，其特征在于：所述的纤维素材料采用羧甲基纤维素钠或者纤维素粉、废弃纸浆粕、木浆粕、棉浆粕等来源的纤维素材料中的一种。
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