CN107199021B - 一种高吸附性复合水凝胶材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高吸附性复合水凝胶材料及其制备方法，属于复合材料领域。所述的一种高吸附性复合水凝胶材料由纤维素纳米微纤、纳米级石墨状氮化碳构成。所述的一种高吸附性复合水凝胶材料的制备方法为：第一步用双氰胺烧制氮化碳；第二步将获得的氮化碳粉末按比例溶于NaOH水溶液中进行超声处理；第三步透析制得的氮化碳溶液；第四步，通过快速溶解法在配制好的NaOH/尿素/氮化碳水体系中溶解纤维素；第五步通过流延成膜法得到纳米复合水凝胶；第六步用去离子水洗净，得到纤维素基纳米氮化碳复合水凝胶。本发明方法简单、绿色环保，得到的复合水凝胶材料可应用于高吸附性降解有机污染物领域。

Description

一种高吸附性复合水凝胶材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高吸附性复合水凝胶材料及其制备方法，属于复合材料领域。
背景技术
在过去的十年中，工业排放的有机污染物和有毒废水等环境问题，越来越引起人们的重视。吸附法用于印染污水治理，是利用污水中染料分子与吸附材料之间的吸附亲和力，将水体中污染物富集到吸附材料的表面，来实现对污水中染料去除。其中CN纳米纤维因具有高吸附能力，廉价，无毒，无积累的优点，在作为吸附材料用于污染物的处理，但是CN纳米纤维不易回收，目前常用的是氮化碳水凝胶。但使用氮化碳水凝胶的存在明显的缺点和不足：1）制备水凝胶使用CO2作为触发剂，不环保。2）制备得到的样品结构单一，且热力学不稳定，在加热状态下会变成溶胶。3）制备得到氮化碳水凝胶材料形状无法控制，强度低。
以往用于有机污染物的氮化碳纳米纤维水凝胶制备过程复杂、样品结构单一，强度低且热力学不稳定，形状难以控制，阻碍了其进一步的利用。
纤维素是世界上储存量最多的天然高分子，具有价廉易得、生物相容性好、稳定性高以及力学性能优良等优点。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种具有高效吸附作用的复合水凝胶材料及其制备方法。所述的一种高吸附性复合水凝胶材料由纤维素纳米微纤和石墨状氮化碳构成。
所述的一种具有高吸附性的复合水凝胶材料利用界面作用原理将氮化碳分散于NaOH/尿素水体系中，通过溶解-再生法使氮化碳均匀分布于再生纤维素上，使其即保持高吸附性，同时具备优良的力学性能和热稳定性。
所述的一种具有高效吸附作用的复合水凝胶材料及其制备方法包括以下步骤：
1）将双氰胺置于马弗炉中烧制，在450℃~650℃下加热2~6个小时。
2）将获得的氮化碳粉末研磨并溶于3 mol/L ~10 mol/L NaOH水溶液中进行超声处理。
3）将制得的氮化碳溶液透析12~48个小时。
4）将纤维素浸入到配制好的NaOH/尿素/氮化碳水体系中，其中水体系由4~8wt%NaOH、3~12 wt% 尿素和10~70 wt%氮化碳及水组成。
5）通过快速溶解法将纤维素溶解，溶解得到的溶液中纤维素含量为1~4wt%。
6）通过流延成膜法得到初步纳米复合水凝胶。
7）用去离子水洗净，最终得到纤维素基纳米氮化碳复合水凝胶。
根据上述技术方案，其特征在于第二步中超声温度为30~80 ℃，超声时间为3~12个小时。
根据上述技术方案，其特征在于第六步中流延成膜法浸入乙醇、乙二醇或丙三醇中得到纳米复合水凝胶，凝固剂温度为20~60℃，时间为5~10min。
根据上述技术方案，其特征在于用去离子水洗净，得到的纤维素基纳米氮化碳复合水凝胶透明度高，对多种染料具有吸附性能。
根据上述技术方案，其特征在于将复合水凝胶洗涤30~50次之后，高吸附性能保持为原来的95~99%。
与已有技术相比较，采用本发明技术方案有显著进步，且能取得有益效果：本发明很好的利用了纤维素作为基体材料，将纳米级石墨状氮化碳与其复合起来，大大的提高了它的高吸附性能：a）采用自下而上的办法，实验方法简单，制备得到氮化碳分布在纤维素骨架的内部和表面，可使其多次重复使用；b）利用氮化碳和纤维素基质之间较强的界面相互作用，既可以提高纤维素基质材料原有的力学性能，同时起到稳定氮化碳的目的；c) 鉴于材料组分之间的强氢键作用以及原有纤维素材料的优异的热稳定性，复合凝胶材料同样具备优异的热稳定性。
具体实施方法
以下结合具体的实施例对本发明的技术方案进一步地说明。
实施例1
第一步将双氰胺置于马弗炉中烧制，在450℃下加热2个小时；第二步将获得的氮化碳粉末研磨1.25g溶于50ml 8mol/L NaOH水溶液中进行超声处理；第三步将制得的氮化碳溶液透析48个小时，洗净；第四步将纤维素浸入到配制好的NaOH/尿素/氮化碳水体系中，其中水溶剂由7wt% NaOH、12 wt% 尿素和10wt%氮化碳水溶液组成；第五步通过快速溶解法将纤维素溶解，纤维素含量为5wt%；第六步通过流延成膜法得到纳米复合水凝胶，凝固剂温度为40℃，时间为8 min；第七步用去离子水洗净，得到纤维素基纳米氮化碳复合水凝胶。
制得的复合水凝胶由纤维素纳米微纤、纳米级石墨状氮化碳和水构筑而成，其中纤维素纳米微纤的直径为40 nm，所得复合水凝胶具有多种染料的高效吸附性，在常温常压的环境条件下1 mL 亚甲基蓝溶液(0.1 mg/mL) 加入1 mL of 纤维素基纳米氮化碳复合水凝胶(8.9 mg/mL) ， 24 h 后大多数的亚甲基蓝分子被纤维素基纳米氮化碳复合水凝胶吸收,有6.5% 的亚甲基蓝在原始的溶液中检测出来，洗涤50次之后，高吸附性能仍有原先的95%，并且对天青B (吸附87%),丫啶黄素(吸附84%), and 番红O (吸附86%)都有显著的吸收和再生性能。
实施例2
第一步将双氰胺置于马弗炉中烧制，在450℃下加热4个小时；第二步将获得的氮化碳粉末研磨1.50g溶于50ml 8mol/L NaOH水溶液中进行超声处理；第三步将制得的氮化碳溶液透析48个小时，洗净；第四步将纤维素浸入到配制好的NaOH/尿素/氮化碳水体系中，其中水溶剂由6wt% NaOH、10wt% 尿素和20wt%氮化碳水溶液组成；第五步通过快速溶解法将纤维素溶解，纤维素含量为5 wt%；第六步通过流延成膜法得到纳米复合水凝胶,凝固剂温度为40℃，时间为8 min；第七步用去离子水洗净，得到纤维素基纳米氮化碳复合水凝胶。
制得的复合水凝胶由纤维素纳米微纤、纳米级石墨状氮化碳和水构筑而成，其中纤维素纳米微纤的直径为40 nm，所得复合水凝胶具有多种染料的高效吸附性，在常温常压的环境条件下1 mL亚甲基蓝溶液(0.1 mg/mL) 加入1 mL of 纤维素基纳米氮化碳复合水凝胶(8.9 mg/mL) ， 24 h 后大多数的亚甲基蓝分子被CN 水凝胶吸收, 只有6.0% 的亚甲基蓝在原始的溶液中检测出来，洗涤50次之后，高吸附性能仍有原先的96%，并且对天青B(吸附90%), 丫啶黄素(吸附88%), and 番红O (吸附91%)都有显著的吸收和再生性能。
实施例3
第一步将双氰胺置于马弗炉中烧制，在550℃下加热4个小时；第二步将获得的氮化碳粉末研磨1.8g溶于50ml 8mol/L NaOH水溶液中进行超声处理；第三步将制得的氮化碳溶液透析充分，洗净；第四步将纤维素浸入到配制好的NaOH/尿素/氮化碳水体系中，其中水溶剂由8wt% NaOH、11wt% 尿素和30wt%氮化碳水溶液组成；第五步通过快速溶解法将纤维素溶解，纤维素含量为4wt%；第六步通过流延成膜法得到纳米复合水凝胶，凝固剂温度为40℃，时间为8 min；第七步用去离子水洗净，得到纤维素基纳米氮化碳复合水凝胶。
制得的复合水凝胶由纤维素纳米微纤、纳米级石墨状氮化碳和水构筑而成，其中纤维素纳米微纤的直径为40 nm，所得复合水凝胶具有多种染料的高效吸附性，在常温常压的环境条件下1 mL亚甲基蓝溶液(0.1 mg/mL) 加入1 mL of 纤维素基纳米氮化碳复合水凝胶 (8.9 mg/mL) ， 24 h 后大多数的亚甲基蓝分子被CN 水凝胶吸收, 只有4.5% 的亚甲基蓝在原始的溶液中检测出来，洗涤50次之后，高吸附性能仍有原先的97%，并且对天青B(吸附92%), 丫啶黄素(吸附90%), and 番红O (吸附93%)都有显著的吸收和再生性能。
实施例4
第一步将双氰胺置于马弗炉中烧制，在550℃下加热6个小时；第二步将获得的氮化碳粉末研磨1.25g溶于50ml 8mol/L NaOH水溶液中进行超声处理；第三步将制得的氮化碳溶液透析48个小时，洗净；第四步将纤维素浸入到配制好的NaOH/尿素/氮化碳水体系中，其中水溶剂由6wt% NaOH、12 wt% 尿素和40wt%氮化碳水溶液组成；第五步通过快速溶解法将纤维素溶解，纤维素含量为5 wt%；第六步通过流延成膜法得到纳米复合水凝胶,凝固剂温度为40℃，时间为8 min；第七步用去离子水洗净，得到纤维素基纳米氮化碳复合水凝胶。
制得的复合水凝胶由纤维素纳米微纤、纳米级石墨状氮化碳和水构筑而成，其中纤维素纳米微纤的直径为40 nm，所得复合水凝胶具有多种染料的高效吸附性，在常温常压的环境条件下1 mL亚甲基蓝溶液(0.1 mg/mL) 加入1 mL of 纤维素基纳米氮化碳复合水凝胶(8.9 mg/mL) ， 24 h 后大多数的亚甲基蓝分子被CN 水凝胶吸收, 只有3.5%的亚甲基蓝在原始的溶液中检测出来，洗涤50次之后，高吸附性能仍有原先的98%，并且对天青B(吸附95%), 丫啶黄素(吸附93%), and番红 O (吸附96%)都有显著的吸收和再生性能。
实施例5
第一步将双氰胺置于马弗炉中烧制，在650℃下加热4个小时；第二步将获得的氮化碳粉末研磨1.55g溶于50ml 8mol/L NaOH水溶液中进行超声处理；第三步将制得的氮化碳溶液透析48个小时，洗净；第四步将纤维素浸入到配制好的NaOH/尿素/氮化碳水体系中，其中水溶剂由8wt% NaOH、9 wt% 尿素和50wt%氮化碳水溶液组成；第五步通过快速溶解法将纤维素溶解，纤维素含量为5 wt%；第六步通过流延成膜法得到纳米复合水凝胶，凝固剂温度为40℃，时间为8 min；第七步用去离子水洗净，得到纤维素基纳米氮化碳复合水凝胶。
制得的复合水凝胶由纤维素纳米微纤、纳米级石墨状氮化碳和水构筑而成，其中纤维素纳米微纤的直径为40 nm，所得复合水凝胶具有多种染料的高效吸附性，在常温常压的环境条件下1 mL亚甲基蓝溶液(0.1 mg/mL) 加入1 mL of 纤维素基纳米氮化碳复合水凝胶(8.9 mg/mL) ， 24 h 后大多数的亚甲基蓝分子被CN 水凝胶吸收, 只有4.0% 的亚甲基蓝在原始的溶液中检测出来，洗涤50次之后，高吸附性能仍有原先的98%，并且对天青B(吸附96%), 丫啶黄素(吸附94%), and番红 O (吸附93%)都有显著的吸收和再生性能。
实施例6
第一步将双氰胺置于马弗炉中烧制，在650℃下加热6个小时；第二步将获得的氮化碳粉末研磨1.35g溶于50ml 8mol/L NaOH水溶液中进行超声处理；第三步将制得的氮化碳溶液透析48个小时，洗净；第四步将纤维素浸入到配制好的NaOH/尿素/氮化碳水体系中，其中水溶剂由5wt% NaOH、10 wt% 尿素，85 wt%氮化碳水溶液组成；第五步通过快速溶解法将纤维素溶解，纤维素含量为5 wt%；第六步通过流延成膜法得到纳米复合水凝胶,凝固剂温度为40℃，时间为8 min；第七步用去离子水洗净，得到纤维素基纳米氮化碳复合水凝胶。
制得的复合水凝胶由纤维素纳米微纤、纳米级石墨状氮化碳和水构筑而成，其中纤维素纳米微纤的直径为40 nm，所得复合水凝胶具有多种染料的高效吸附性，在常温常压的环境条件下1 mL 亚甲基蓝溶液(0.1 mg/mL) 加入1 mL of 纤维素基纳米氮化碳复合水凝胶(8.9 mg/mL) ， 24 h 后大多数的亚甲基蓝分子被CN 水凝胶吸收, 只有4.5%的亚甲基蓝在原始的溶液中检测出来，洗涤50次之后，高吸附性能仍有原先的97%，并且对天青B(吸附99%), 丫啶黄素(吸附98%), and 番红O (吸附96%)都有显著的吸收性能。

Claims (5)

1.一种高吸附性复合水凝胶材料的制备方法，所述的高吸附性复合水凝胶材料由纤维素纳米微纤、纳米级石墨状氮化碳和水构筑而成，其特征在于：包括如下步骤：
第一步、将双氰胺置于马弗炉中烧制，在450℃~650 ℃下加热2~6个小时；
第二步、将获得的氮化碳粉末研磨并溶于3 mol/L ~10 mol/L 的NaOH水溶液中进行超声处理；
第三步、将制得的氮化碳溶液透析12~48个小时；
第四步、使用氮化碳透析液配置得到NaOH/尿素/氮化碳水体系，其中水体系由4~8wt%NaOH、3~12 wt% 尿素和10~70 wt%氮化碳及水组成；
第五步、将纤维素浸入上述水体系中并通过快速溶解法将纤维素溶解，溶解得到的溶液中纤维素含量为1~4wt%；
第六步、通过流延成膜法得到初步纳米复合水凝胶；
第七步、用去离子水洗净，最终得到纤维素基纳米氮化碳复合水凝胶。
2.如权利要求1所述的一种高吸附性复合水凝胶材料的制备方法，其特征在于：第二步中超声温度为30~80 ℃，超声时间为3~12个小时。
3.如权利要求1所述的一种高吸附性复合水凝胶材料的制备方法，其特征在于：第六步中流延成膜法所用的凝固剂为乙醇、乙二醇或丙三醇，凝固剂温度为20~60 ℃，时间为5~10min。
4.如权利要求1所述的一种高吸附性复合水凝胶材料的制备方法，其特征在于：用去离子水洗净，得到的纤维素基纳米氮化碳复合水凝胶透明度高，对多种染料具有吸附性能。
5.如权利要求1所述的一种高吸附性复合水凝胶材料的制备方法，其特征在于：将复合水凝胶洗涤30~50次之后，高吸附性能保持为原来的95~99%。
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