CN115785341B - 一种功能性羧甲基纤维素吸附剂的合成工艺与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纤维素技术领域,且公开了一种功能性羧甲基纤维素吸附剂的合成工艺与应用,以1‑丙磺酸‑3‑(2‑羟乙基)胺和、二溴乙烷和丙烯酰氯作为反应原料,合成了一种新型的磺酸钠型丙烯酸酯单体双(丙烯酸酯基‑N,N‑二叔胺基丙磺酸钠),含有的双丙烯酸酯基团,在过硫酸钾引发作用下作为交联剂,与丙烯酸在羧甲基纤维素骨架中发生交联聚合,得到接枝了磺酸钠‑丙烯酸交联共聚物的新型功能性羧甲基纤维素吸附剂,对阳离子染料孔雀石绿和罗丹明B具有很强的静电相互作用,表现出优异的吸附性能。
Description
技术领域
本发明涉及纤维素技术领域,具体为一种功能性羧甲基纤维素吸附剂的合成工艺与应用。
背景技术
纤维素来源广泛、可生物降解、吸附性能好,在废水处理、水污染治理等领域有着广阔的发展前景,对纤维素化学改性、制备功能化纤维素是研究热点,如羧甲基纤维素、磺化纤维素、纤维素-丙烯酸类共聚物等具有良好的吸附性能,申请号为CN201310604637.7的专利《磺酸功能化的纤维素吸附材料的制备方法及用途》,公开了含有羧基的芳香磺酸与含纤维素结构的材料,发生酯化反应,得到磺酸功能化的纤维素吸附材料,可以用于水体中重金属离子去除。
将羧甲基纤维素与丙烯酸类单体、交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺进行交联聚合,得到的纤维素基复合材料具有更好的吸附性能,文献《植酸-甲基丙烯酸二甲氨基乙酯-羧甲基纤维素钠交联聚合物的制备及染料吸附性能》,报道了以甲基丙烯酸二甲氨基乙酯为单体、羧甲基纤维素钠为骨架,改性植酸作为交联剂,制备新型的染料吸附剂,对阴离子染料活性艳红24和阳离子染料品红碱性都具有很好的吸附性能,本发明利用新型的磺酸钠单体与丙烯酸和羧甲基纤维素交联聚合,得到功能性羧甲基纤维素吸附剂应用于含染料等污染物的废水处理中。
发明内容
(一)解决的技术问题
本发明提供了一种磺酸功能性的羧甲基纤维素吸附剂及合成工艺,应用于含染料等废水处理中,对阳离子染料污染物具有优异的吸附效果。
(二)技术方案
一种功能性羧甲基纤维素吸附剂的合成工艺,包括如下步骤:
步骤a:将丙烯酸加入到氢氧化钠水溶液中,配置成中和度为60-80%的丙烯酸溶液。
步骤b:向蒸馏水中加入羧甲基纤维素,搅拌溶解后依次加入丙烯酸溶液、聚合单体双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)和引发剂过硫酸钾,在氮气气氛中进行交联聚合反应。
步骤c:反应后冷却,滴加稀盐酸进行酸化,过滤溶剂,依次用蒸馏水、乙醇洗涤、干燥,得到功能性羧甲基纤维素吸附剂。
优选的,所述丙烯酸、羧甲基纤维素、双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)、过硫酸钾的重量比为100:200-800:15-60:4-20。
优选的,所述步骤b中交联聚合反应控制温度在60-75 ℃之间,反应时间控制在3-5 h之间。
优选的,所述步骤c中滴加稀盐酸调控反应溶液的pH至3-5。
优选的,所述双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)的合成工艺包括如下步骤:
步骤d:向乙醇中加入摩尔比为2-2.6:1的1-丙磺酸-3-(2-羟乙基)胺和二溴乙烷,然后滴加碳酸钠水溶液,然后升温至60-80 ℃回流反应12-24 h,反应后减压浓缩析出沉淀,将沉淀用乙醇中重结晶、干燥,得到双(羟乙基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)。
步骤e:将摩尔比为1:2.2-2.8:2.5-3的双(羟乙基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)、丙烯酰氯和三乙胺在冰浴下依次滴加到溶剂中,搅拌均匀后在室温下搅拌反应6-18 h,反应后减压浓缩析出沉淀,将沉淀用体积比为1:1的乙醇和丙酮的混合溶剂进行重结晶、干燥,得到双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)。
优选的,所述步骤d中滴加碳酸钠水溶液调控反应溶液pH至8-10。
优选的,所述步骤e中溶剂为丙酮、四氢呋喃、1,4-二氧六环、乙腈、乙酸乙酯中的任一种。
(三)有益的技术效果
以1-丙磺酸-3-(2-羟乙基)胺和、二溴乙烷和丙烯酰氯作为反应原料,合成了一种新型的磺酸钠型丙烯酸酯单体双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠),含有的双丙烯酸酯基团,在过硫酸钾引发作用下作为交联剂,与丙烯酸在羧甲基纤维素骨架中发生交联聚合,得到接枝了磺酸钠-丙烯酸交联共聚物的新型功能性羧甲基纤维素吸附剂。
从扫描电镜SEM图中可以看出,交联聚合后的羧甲基纤维素吸附剂具有大量的孔道结构,比表面积高,提供了更多的活性吸附位点,同时将阴离子双磺酸基团接枝到纤维素骨架中,对阳离子染料孔雀石绿和罗丹明B具有很强的静电相互作用,从而表现出优异的吸附性能,拓展了羧甲基纤维素吸附剂在含染料等污染物中的实际应用。
附图说明
图1是双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)的合成路线。
图2是双(羟乙基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)和双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)的核磁共振氢谱。
图3是功能性羧甲基纤维素吸附剂PCMC-1的扫描电镜SEM图。
图4是功能性羧甲基纤维素吸附剂PCMC-1的FT-IR谱。
图5是羧甲基纤维素吸附剂对孔雀石绿的平衡吸附曲线。
图6是羧甲基纤维素吸附剂对罗丹明B的平衡吸附曲线。
具体实施方式
羧甲基纤维素:型号:FH7000;粘度:7000-9000 mPa·s;纯度99.5%。
1-丙磺酸-3-(2-羟乙基)胺的合成方法参考期刊Monatsh Chem 139, 799-803(2008),文献《两性离子液体催化水中的克脑文盖尔缩合反应》,DOI:10.1007/s00706-008-0855-y。
将0.1 mol的乙醇胺和0.1 mol的1,3-丙烷磺内酯加入到20 mL的1,2-二氯乙烷中,在氮气气氛中室温下搅拌反应1 h,反应后减压浓缩,石油醚洗涤产物,得到1-丙磺酸-3-(2-羟乙基)胺(HEAPS,C5H13NO4S)。
实施例1
(1)向20 mL的乙醇中加入4 mmol的1-丙磺酸-3-(2-羟乙基)胺和2 mmol的二溴乙烷,然后滴加30%的碳酸钠水溶液,调控反应溶液pH至8,然后升温至80 ℃回流反应12 h,反应后减压浓缩析出沉淀,将沉淀用乙醇中重结晶、干燥,得到双(羟乙基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)。
(2)将2 mmol的双(羟乙基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)、5 mmol的丙烯酰氯和5.5mmol的三乙胺在冰浴下依次滴加到50 mL的丙酮中,搅拌均匀后在室温下搅拌反应6 h,反应后减压浓缩析出沉淀,将沉淀用体积比为1:1的乙醇和丙酮的混合溶剂进行重结晶、干燥,得到双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)。
(3)将2 g的丙烯酸加入到25%的氢氧化钠水溶液中,配置成中和度为80%的丙烯酸溶液。
(4)向50 mL的蒸馏水中加入1 g的羧甲基纤维素,搅拌溶解后依次加入丙烯酸溶液、0.15 g的聚合单体双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)和0.04 g的引发剂过硫酸钾,在氮气气氛中,在60 ℃下进行交联聚合反应5 h。
(5)反应后冷却,滴加稀盐酸调控反应溶液的pH至4,搅拌进行酸化,过滤溶剂,依次用蒸馏水、乙醇洗涤、干燥,得到功能性羧甲基纤维素吸附剂PCMC-1。
实施例2
(1)向30 mL的乙醇中加入4.8 mmol的1-丙磺酸-3-(2-羟乙基)胺和2 mmol的二溴乙烷,然后滴加30%的碳酸钠水溶液,调控反应溶液pH至10,然后升温至70 ℃回流反应24h,反应后减压浓缩析出沉淀,将沉淀用乙醇中重结晶、干燥,得到双(羟乙基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)。
(2)将2 mmol的双(羟乙基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)、4.4 mmol的丙烯酰氯和5mmol的三乙胺在冰浴下依次滴加到50 mL的乙酸乙酯中,搅拌均匀后在室温下搅拌反应12h,反应后减压浓缩析出沉淀,将沉淀用体积比为1:1的乙醇和丙酮的混合溶剂进行重结晶、干燥,得到双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)。
(3)将4 g的丙烯酸加入到25%的氢氧化钠水溶液中,配置成中和度为70%的丙烯酸溶液。
(4)向80 mL的蒸馏水中加入1 g的羧甲基纤维素,搅拌溶解后依次加入丙烯酸溶液、0.4 g的聚合单体双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)和0.1 g的引发剂过硫酸钾,在氮气气氛中,在65 ℃下进行交联聚合反应3 h。
(5)反应后冷却,滴加稀盐酸调控反应溶液的pH至3,搅拌进行酸化,过滤溶剂,依次用蒸馏水、乙醇洗涤、干燥,得到功能性羧甲基纤维素吸附剂PCMC-2。
实施例3
(1)向50 mL的乙醇中加入5.2mmol的1-丙磺酸-3-(2-羟乙基)胺和2 mmol的二溴乙烷,然后滴加30%的碳酸钠水溶液,调控反应溶液pH至9,然后升温至70 ℃回流反应12 h,反应后减压浓缩析出沉淀,将沉淀用乙醇中重结晶、干燥,得到双(羟乙基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)。
(2)将2 mmol的双(羟乙基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)、4.8 mmol的丙烯酰氯和5mmol的三乙胺在冰浴下依次滴加到80 mL的四氢呋喃中,搅拌均匀后在室温下搅拌反应12h,反应后减压浓缩析出沉淀,将沉淀用体积比为1:1的乙醇和丙酮的混合溶剂进行重结晶、干燥,得到双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)。
(3)将5 g的丙烯酸加入到25%的氢氧化钠水溶液中,配置成中和度为70%的丙烯酸溶液。
(4)向80 mL的蒸馏水中加入1 g的羧甲基纤维素,搅拌溶解后依次加入丙烯酸溶液、0.5 g的聚合单体双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)和0.15 g的引发剂过硫酸钾,在氮气气氛中,在75 ℃下进行交联聚合反应3 h。
(5)反应后冷却,滴加稀盐酸调控反应溶液的pH至5,搅拌进行酸化,过滤溶剂,依次用蒸馏水、乙醇洗涤、干燥,得到功能性羧甲基纤维素吸附剂PCMC-3。
实施例4
(1)向40 mL的乙醇中加入4.5mmol的1-丙磺酸-3-(2-羟乙基)胺和2 mmol的二溴乙烷,然后滴加30%的碳酸钠水溶液,调控反应溶液pH至8,然后升温至60 ℃回流反应18 h,反应后减压浓缩析出沉淀,将沉淀用乙醇中重结晶、干燥,得到双(羟乙基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)。
(2)将2 mmol的双(羟乙基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)、5.6 mmol的丙烯酰氯和6mmol的三乙胺在冰浴下依次滴加到100 mL的乙腈中,搅拌均匀后在室温下搅拌反应18 h,反应后减压浓缩析出沉淀,将沉淀用体积比为1:1的乙醇和丙酮的混合溶剂进行重结晶、干燥,得到双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)。
(3)将8 g的丙烯酸加入到25%的氢氧化钠水溶液中,配置成中和度为60%的丙烯酸溶液。
(4)向100 mL的蒸馏水中加入1 g的羧甲基纤维素,搅拌溶解后依次加入丙烯酸溶液、0.6 g的聚合单体双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)和0.2 g的引发剂过硫酸钾,在氮气气氛中,在75 ℃下进行交联聚合反应4 h。
(5)反应后冷却,滴加稀盐酸调控反应溶液的pH至4,搅拌进行酸化,过滤溶剂,依次用蒸馏水、乙醇洗涤、干燥,得到功能性羧甲基纤维素吸附剂PCMC-4。
对比例1
(1)将5 g的丙烯酸加入到25%的氢氧化钠水溶液中,配置成中和度为70%的丙烯酸溶液。
(2)向80 mL的蒸馏水中加入1 g的羧甲基纤维素,搅拌溶解后依次加入丙烯酸溶液和0.15 g的引发剂过硫酸钾,在氮气气氛中,在75 ℃下进行交联聚合反应3 h。
(3)反应后冷却,滴加稀盐酸调控反应溶液的pH至5,搅拌进行酸化,减压浓缩析出沉淀,乙醇洗涤、干燥,得到羧甲基纤维素吸附剂PCMC-5。
分别称取0.5 g的功能性羧甲基纤维素吸附剂、羧甲基纤维素吸附剂加入到200mL的孔雀石绿的水溶液中,浓度为100 mg/L,在室温下吸附至溶液平衡,在吸附过程中移取上层清液,用紫外可见分光光度法检测孔雀石绿的浓度,并计算吸附率W。
计算公式:,C0为孔雀石绿溶液初始浓度,C为吸附后孔雀石绿溶液浓度。
分别称取0.2 g的羧甲基纤维素吸附剂PCMC-1~5、羧甲基纤维素CMC加入到200mL的罗丹明B的水溶液中,浓度为50 mg/L,在室温下吸附至溶液平衡,在吸附过程中移取上层清液,用紫外可见分光光度法检测罗丹明B的浓度,并计算吸附率W。
计算公式:,C0为罗丹明B溶液初始浓度,C为吸附后罗丹明B溶液浓度。
实施例4制备的PCMC-4对孔雀石绿吸附率达到99.2%,而对比例1制备的PCMC-5对孔雀石绿吸附率为75.0%,普通的羧甲基纤维素CMC对孔雀石绿吸附率仅为51.7%。
实施例3制备的PCMC-3对罗丹明B吸附率达到96.9%,而对比例1制备的PCMC-5对罗丹明B吸附率为77.3%,普通的羧甲基纤维素CMC对罗丹明B吸附率仅为57.2%。
Claims (8)
1.一种功能性羧甲基纤维素吸附剂的合成工艺,其特征在于:所述合成工艺包括如下步骤:
步骤a:将丙烯酸加入到20-30%的氢氧化钠水溶液中,配置成中和度为60-80%的丙烯酸溶液;
步骤b:向蒸馏水中加入羧甲基纤维素,搅拌溶解后依次加入丙烯酸溶液、聚合单体双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)和引发剂过硫酸钾,在氮气气氛中进行交联聚合反应,其中双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)的结构式为:;
步骤c:反应后冷却,滴加稀盐酸进行酸化、过滤、洗涤、干燥,得到功能性羧甲基纤维素吸附剂。
2.根据权利要求1所述的功能性羧甲基纤维素吸附剂的合成工艺,其特征在于:所述丙烯酸、羧甲基纤维素、双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)、过硫酸钾的重量比为200-800:100:15-60:4-20。
3.根据权利要求1所述的功能性羧甲基纤维素吸附剂的合成工艺,其特征在于:所述步骤b中交联聚合反应控制温度在60-75 ℃之间,反应时间控制在3-5 h之间。
4.根据权利要求1所述的功能性羧甲基纤维素吸附剂的合成工艺,其特征在于:所述步骤c中滴加稀盐酸调控反应溶液的pH至3-5。
5.根据权利要求1所述的功能性羧甲基纤维素吸附剂的合成工艺,其特征在于:所述双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)的合成工艺包括如下步骤:
步骤d:向乙醇中加入摩尔比为2-2.6:1的1-丙磺酸-3-(2-羟乙基)胺和二溴乙烷,然后滴加碳酸钠水溶液,然后升温至60-80 ℃回流反应12-24 h,反应后减压浓缩析出沉淀、重结晶、干燥,得到双(羟乙基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠);
步骤e:将摩尔比为1:2.2-2.8:2.5-3的双(羟乙基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)、丙烯酰氯和三乙胺在冰浴下依次滴加到溶剂中,搅拌均匀后在室温下搅拌反应6-18 h,反应后减压浓缩析出沉淀、重结晶、干燥,得到双(丙烯酸酯基-N,N-二叔胺基丙磺酸钠)。
6.根据权利要求5所述的功能性羧甲基纤维素吸附剂的合成工艺,其特征在于:所述步骤d中滴加碳酸钠水溶液调控反应溶液pH至8-10。
7.根据权利要求5所述的功能性羧甲基纤维素吸附剂的合成工艺,其特征在于:所述步骤e中溶剂为丙酮、四氢呋喃、1,4-二氧六环、乙腈、乙酸乙酯中的任一种。
8.一种如权利要求1-7任一项功能性羧甲基纤维素吸附剂在含染料废水处理中的应用。
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