一種用于吸附重金屬的水凝膠及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高于分子材料技術(shù)和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，更具體地，設(shè)及一種用于吸附重 金屬的水凝膠及其制備方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 水體中重金屬離子污染由于其對人類和整個生態(tài)環(huán)境的毒性，引起了極大的關(guān) 注。人體中重金屬離子積累會導(dǎo)致大腦，皮膚，膜腺和屯、臟疾病。因此在受污染的水排入環(huán) 境前去除重金屬離子十分必要。目前科研學(xué)者開發(fā)了很多方法去除重金屬離子，主要包括 離子交換，膜分離，化學(xué)沉淀，吸附等。運(yùn)些方法中，吸附被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)，具有 低成本，操作方便，易于控制，無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]許多聚合物吸附劑被開發(fā)用于去除重金屬離子，例如聚合纖維，樹脂，納米復(fù)合材 料，天然聚合物材料等。其中，水凝膠即使在水中顯著溶脹，依然能保持其原有的結(jié)構(gòu)和性 能，對外界刺激作出響應(yīng)，具有良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，此外，水凝膠具有溶脹特性和多孔 Ξ維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)溶脹后可W極大地增加網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中功能化基團(tuán)與重金屬離子作用的面 積，從而提高重金屬離子的吸附能力。然而制約水凝膠用做去除重金屬吸附劑Ξ個關(guān)鍵主 要是吸附能力低，機(jī)械強(qiáng)度差從而導(dǎo)致不易回收再生W及重復(fù)使用性差的問題。為了克服 運(yùn)些問題，許多新型水凝膠吸附劑被開發(fā)出來。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的W上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種水凝膠，其目的在于將 2-乙締基-4,6-二氨基-1，3,5-均Ξ嗦單體（VDT)W及2-丙締酷胺-2-甲基丙橫酸（AMP巧 聚合得到共聚物水凝膠，使得制備得到的水凝膠既具有良好的吸附特性，又具有良好的循 環(huán)使用能力。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于重金屬吸附的水凝膠， 所述水凝膠為2-乙締基-4,6-二氨基-1，3, 5-均Ξ嗦與2-丙締酷胺-2-甲基丙橫酸的共 聚物，其中，2-乙締基-4,6-二氨基-1，3, 5-均Ξ嗦與2-丙締酷胺-2-甲基丙橫酸的摩爾 比為1:3~2:3,所述水凝膠為多孔結(jié)構(gòu)，且所述多孔結(jié)構(gòu)的孔徑為12μm~28μm，所述 2-乙締基-4,6-二氨基-1，3,5-均Ξ嗦的部分胺基與Ξ嗦基通過氨鍵形成六元環(huán)結(jié)構(gòu)，用 于增強(qiáng)水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度，所述水凝膠中的橫酸基用于與重金屬離子發(fā)生離子交換，同時 所述水凝膠中的胺基，用于馨合重金屬離子。
[0006] 優(yōu)選地，所述水凝膠的分子結(jié)構(gòu)式為
[0007]
ο
[0008] 按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種該水凝膠的制備方法，按照如下化學(xué)反應(yīng)式 制備：
[0009]
[0010]，其中，m和η分別表示2-乙締基-4,6-二氨基-1，3, 5-均立嗦單體與2-丙締酷 胺-2-甲基丙橫酸單體的摩爾量，mW及η為正整數(shù)。
[0011] 優(yōu)選地，所述制備方法的具體步驟如下：
[0012] (1)將2-乙締基-4,6-二氨基-1,3, 5-均Ξ嗦和2-丙締酷胺-2-甲基丙橫酸w 1:3~2:3的摩爾比混合作為反應(yīng)物，然后加入交聯(lián)劑W及光引發(fā)劑，與反應(yīng)物共同均勻溶 解于有機(jī)溶劑中；
[0013] (2)在紫外光照射下使得所述2-乙締基-4,6-二氨基-1，3,5-均Ξ嗦與2-丙締 酷胺-2-甲基丙橫酸聚合，得到所述水凝膠。
[0014] 優(yōu)選地，所述交聯(lián)劑的質(zhì)量為反應(yīng)物總質(zhì)量的1 %~10%，所述光引發(fā)劑的質(zhì)量 為反應(yīng)物總質(zhì)量的1 %~2. 5%。
[0015] 優(yōu)選地，所述交聯(lián)劑為N，N-亞甲基雙丙締酷胺，所述光引發(fā)劑為2-徑 基-4-(2-徑乙氧基）-2-甲基苯丙酬，所述有機(jī)溶劑為二甲基亞諷。
[0016] 優(yōu)選地，在所述步驟（2)之后還包括，洗涂所述水凝膠，W去除其中未反應(yīng)完全的 雜質(zhì)。
[0017] 按照本發(fā)明的另一方面，還提供了一種包括該水凝膠的重金屬離子吸附劑。
[0018] 優(yōu)選地，所述重金屬離子為銅離子。
[0019] 作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述重金屬離子吸附劑對銅離子的最大吸附量為149. 36mg/ 邑。
[0020] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的W上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下有益效 果：
[0021] 1、僅WAMI^組成的聚合物機(jī)械強(qiáng)度較低，而VDT單體本身無法完成聚合，兩者之 間共同反應(yīng)形成聚合物水凝膠，VDT的胺基和Ξ嗦基團(tuán)之間通過氨鍵而形成的六元環(huán)結(jié)構(gòu)， 不僅增強(qiáng)了水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度，還使得形成的聚合物水凝膠具有網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，利于重金 屬離子的擴(kuò)散，增加了吸附容量；
[0022] 2、AMPS具有橫酸基，能與重金屬離子發(fā)生離子交換作用，同時AMI^和VDT具有胺 基，能與重金屬離子產(chǎn)生馨合作用，從而提高了重金屬離子的吸附量，使得水凝膠對銅離子 的最大吸附量為149. 36mg/g。
[0023] 3、由于聚合物水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度得到了增強(qiáng)，更便于多次使用，在回收過程中損 耗量小，循環(huán)四次之后，吸附量僅下降了 10. 1% ;
[0024] 4、本發(fā)明的水凝膠制備方法簡單，易于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明的水凝膠的化學(xué)反應(yīng)式；
[0026] 圖2是本發(fā)明實施例1的水凝膠聚合物紅外光譜圖，其中，橫坐標(biāo)為波長；
[0027]圖3是本發(fā)明實施例1的水凝膠聚合物的掃描電鏡圖，圖a、b分別代表放大500 倍和2000倍；
[0028]圖4是本發(fā)明實施例1的吸附前后熱重分析圖；其中，橫坐標(biāo)表示溫度，縱坐標(biāo)代 表水凝膠的重量百分比；
[0029]圖5是本發(fā)明實施例1水凝膠吸附前后X射線光電子能譜儀圖；其中，橫坐標(biāo)代表 結(jié)合能；
[0030]圖6是實施例1的水凝膠重復(fù)利用圖；其中，橫坐標(biāo)表示重復(fù)利用次數(shù)，縱坐標(biāo)表 示吸附解吸附能力。
【具體實施方式】
[0031] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所設(shè)及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可W相互組合。
[0032] 本發(fā)明提供了一種用于重金屬吸附的水凝膠，所述水凝膠為2-乙締基-4,6-二氨 基-1,3, 5-均Ξ嗦（VDT)與2-丙締酷胺-2-甲基丙橫酸（AMP巧的共聚物，其分子結(jié)構(gòu)式 為
[0033]
[0034]，m:n為1:3~2:3，m和η分別表示在所述水凝膠中，2-乙締基-4,6-二氨基-1， 3, 5-均Ξ嗦單體與2-丙締酷胺-2-甲基丙橫酸單體的摩爾量（并非表示該水凝膠中2-乙 締基-4,6-二氨基-1,3, 5-均Ξ嗦單體與2-丙締酷胺-2-甲基丙橫酸單體連續(xù)連接重復(fù) 的數(shù)量）；其中，2-乙締基-4,6-二氨基-1，3,5-均Ξ嗦的胺基和Ξ嗦基團(tuán)之間通過氨鍵形 成六元環(huán)結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)了水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度，所述水凝膠中的橫酸基用于與重金屬離子 發(fā)生離子交換，同時所述水凝膠中的胺基，用于馨合重金屬離子。
[0035] 上述水凝膠的制備方法按W下反應(yīng)方程式進(jìn)行：
[0036]
[0037] 其具體步驟如下：
[0038] (1)將2-乙締基-4,6-二氨基-1,3, 5-均立嗦（VDT)和2-丙締酷胺-2-甲基丙 橫酸（AMP巧混合作為反應(yīng)物，然后加入反應(yīng)物總質(zhì)量的1%~10%的交聯(lián)劑W及反應(yīng)物 總質(zhì)量的1%~2. 5%的光引發(fā)劑，與反應(yīng)物共同均勻溶解于有機(jī)溶劑中；所述交聯(lián)劑可W 為N，N-亞甲基雙丙締酷胺、聚乙締、聚氯乙締、氯化聚乙締等，所述光引發(fā)劑可W為2-徑 基-4-(2-?乙氧基）-2-甲基苯丙酬、偶氮二異下基、二苯基乙酬、2, 4-二徑基二苯甲酬等， 所述有機(jī)溶劑可W為二甲基亞諷、丙酬、甲醇、正己燒等；由于VDT的胺基和Ξ嗦基團(tuán)能通 過氨鍵而形成的六元環(huán)結(jié)構(gòu)，反應(yīng)物中VDT與AMI^的摩爾比需要超過1:3W維持所述水凝 膠的機(jī)械強(qiáng)度，然而，當(dāng)VDT與AMPS的摩爾比超過2:3時，則難W合成成功。
[0039] (2)在紫外光照射下使得所述2-乙締基-4,6-二氨基-1，3,5-均Ξ嗦與2-丙締 酷胺-2-甲基丙橫酸聚合，得到所述水凝膠；其聚合時間與反應(yīng)物的量有關(guān)，當(dāng)反應(yīng)總量為 0. 5g左右時，20W的紫外燈下照射15min可聚合完全。
[0040] (3)洗涂所述水凝膠，W去除其中未反應(yīng)完全的雜質(zhì)；可直接用水洗涂，也可先用 乙醇等可與水混溶的有機(jī)溶劑除去反應(yīng)物后，再用水洗涂；例如，可用去離子水浸泡5dW 上，并1化更換一次去離子水，直至水凝膠中未反應(yīng)完全的雜質(zhì)完全去除。
[0041] 該水凝膠可制備重金屬離子吸附劑，用于吸附銅離子等重金屬離子，由于其中具 有橫酸基和胺基，可W與重金屬離子發(fā)生離子交換W及馨合作用，其對銅