本發(fā)明屬于環(huán)保功能材料制備領(lǐng)域，涉及一種適用于制備功能化中空硅球的新方法，尤其涉及一種基于蒸氣冷凝法一步制備氨基功能化中空硅球的方法，及其在重金屬污染治理中的應(yīng)用

背景技術(shù)：

1、鉛是一種重要的工業(yè)重金屬，因其具有良好的延展性和可塑性，被廣泛的應(yīng)用于軍工、船舶器械等方面。目前全球鉛消費(fèi)水平高居不下，于此同時(shí)由于鉛的開采和使用而不可避免的導(dǎo)致了水體、大氣、土壤和食物鏈的污染，嚴(yán)重威脅人類生命健康。其中水體中的鉛離子污染尤為嚴(yán)重，由于鉛離子在水溶液中具有良好的溶解性和較快的遷移速率，導(dǎo)致水體中鉛離子污染更持久而且更加難以治理。因而實(shí)現(xiàn)水體中鉛離子的高效脫除對(duì)環(huán)境生態(tài)和人類生命健康具有重要意義。點(diǎn)解法、沉淀法、微生物法和吸附法是常用的水中鉛離子脫除的有效手段，其中吸附法操作簡(jiǎn)單、連續(xù)性強(qiáng)，受到了科研工作者的廣泛關(guān)注。實(shí)現(xiàn)對(duì)吸附劑的形貌、結(jié)構(gòu)的可控設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高效脫鉛是鉛離子污染治理中的重要課題。

2、中空二氧化硅球吸附劑，相比于傳統(tǒng)球形吸附劑，展現(xiàn)出更優(yōu)異的比表面積以及更高的材料使用效率，因此引起了吸附分離領(lǐng)域的研究興趣。然后，中空二氧化硅球的制備仍受限于過程復(fù)雜且不環(huán)保的硬模板法。而已經(jīng)報(bào)道的基于乳液模板法制備中空二氧化硅球的方法，對(duì)中空結(jié)構(gòu)、硅球形貌尺寸的調(diào)控較難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、蒸汽冷凝法作為一種高效的低能乳化技術(shù)，廣泛應(yīng)用于納米乳液的可控制備，并且通過靈活調(diào)控各項(xiàng)工藝參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液滴粒徑的精準(zhǔn)控制，展現(xiàn)出卓越的通用性和可控性。此外，蒸氣冷凝法還是一種可連續(xù)的制備平臺(tái)，基于蒸氣冷凝法制備氨基功能化硅球不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)其粒徑大小、結(jié)構(gòu)形貌的調(diào)控，而且能夠?qū)崿F(xiàn)其可連續(xù)制備，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

2、
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明首先通過蒸氣冷凝法制備油包水型的納米乳液，利用溶解在油相中的硅烷偶聯(lián)劑在堿性催化環(huán)境下在油水界面發(fā)生水解縮合反應(yīng)，制備得到氨基功能化中空硅球。該方法為可連續(xù)制備硅球提供了生產(chǎn)平臺(tái)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)一步法制備氨基功能化中空硅球，此外通過各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)控，結(jié)合硅球偶聯(lián)劑的水解縮合速率，能夠?qū)⒍趸璧纳L(zhǎng)限制在液滴界面，并且能夠調(diào)控硅球的中空結(jié)構(gòu)和優(yōu)化球形形貌。隨后將氨基功能吸附劑用于水溶液中鉛離子的脫除，并且實(shí)現(xiàn)快速高效吸附。

3、本發(fā)明解決了氨基功能化硅球制備成本高、過程復(fù)雜以及規(guī)?；a(chǎn)難的問題，采用蒸氣冷凝法制備納米液滴反應(yīng)器，通過調(diào)控冷凝時(shí)間、表面活性劑用量來調(diào)控液滴的尺寸大小，并通過調(diào)控硅烷偶聯(lián)劑的用量實(shí)現(xiàn)球形形貌和中空結(jié)構(gòu)的調(diào)控，隨后基于氨基和鉛離子之間的配位作用實(shí)現(xiàn)對(duì)水溶液中鉛離子的高效脫除。

4、一種基于蒸氣冷凝法制備氨基功能化中空硅球的方法，包括如下步驟：

5、(1)按比例將表面活性劑、正硅酸四乙酯(teos)和3-氨基丙基三乙氧基硅烷(apts)溶解于油相正十二烷中，隨后轉(zhuǎn)移至玻璃表面皿中；

6、(2)利用加濕器和恒溫恒濕箱調(diào)控密閉空間的濕度為75％-80％之間，溫度為25℃，同時(shí)將表面皿置于所述密閉空間中，并用冰水浴控制表面皿溫度為0-3℃之間；利用空氣中的水蒸氣在油相表面冷凝一段時(shí)間；

7、(3)冷凝結(jié)束后，將表面皿密封置于恒溫環(huán)境下反應(yīng)，制備氨基功能化中空硅球。

8、步驟(1)中，所述表面活性劑為span?80，所述span?80、teos、apts和正十二烷的用量比為(0.1-0.5)g：(0.15-0.6)ml：(0.05-0.25)ml：(5-15)ml。

9、步驟(2)中，密閉空間的濕度為75％-80％之間，密閉空間的溫度為25℃，冷凝時(shí)間為15-40min。

10、步驟(3)中，恒溫環(huán)境為25-60℃，反應(yīng)時(shí)間為1.0-7.0h。

11、將本發(fā)明基于蒸氣冷凝法制備的氨基功能化中空硅球用于吸附脫除水溶液中鉛離子的應(yīng)用。

12、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在如下方面：

13、本發(fā)明以蒸氣冷凝法納米乳液，并以粒徑大小可調(diào)的納米液滴為反應(yīng)場(chǎng)所，以一種全新的方法，一步制備氨基功能化中空硅球，并將其用于水中鉛離子的脫除。該方法制備氨基功能化中空硅球具有如下的優(yōu)勢(shì)：

14、本工作采用蒸氣冷凝法制備納米乳液，該方法是要中可連續(xù)的低能乳化方法，不僅能實(shí)現(xiàn)油包水型的納米乳液的規(guī)模化制備，而且其設(shè)備要求低、操作簡(jiǎn)單、過程簡(jiǎn)潔，能夠?qū)崿F(xiàn)納米液滴的尺寸調(diào)控，是良好的納米材料制備平臺(tái)。

15、本發(fā)明以油包水型的納米乳液為模板實(shí)現(xiàn)氨基功能化中空硅球的一步法制備，與傳統(tǒng)的硬模板法相比，有效解決了由于模板刻蝕導(dǎo)致的成本高的問題，同時(shí)避免了后期修飾的過程以及后修飾導(dǎo)致的變形。

16、本發(fā)明以apts營(yíng)造的堿性催化環(huán)境催化二氧化硅的生長(zhǎng)，同時(shí)其自身也作為功能化硅烷偶聯(lián)劑參與中空硅球的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)其表面氨基功能化，避免了由于催化而引入的強(qiáng)酸和強(qiáng)堿對(duì)環(huán)境造成的不良影響。

17、本方法制備功能化氨基中空硅球具有可控性，能夠?qū)崿F(xiàn)其尺寸的調(diào)控，中空結(jié)構(gòu)的調(diào)控以及中空壁厚的調(diào)控。

18、本發(fā)明制備的氨基功能化中空硅球吸附劑具有較大的比表面積，能夠有效提升吸附容量，增強(qiáng)其對(duì)鉛離子的吸附性能，在重金屬污染物治理方面具有良好的應(yīng)用潛能。

技術(shù)特征：

1.一種基于蒸氣冷凝法制備氨基功能化中空硅球的方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的基于蒸氣冷凝法制備氨基功能化中空硅球的方法，其特征在于，步驟(1)中，所述表面活性劑為span?80，所述span?80、teos、apts和正十二烷的用量比為(0.1-0.5)g：(0.15-0.6)ml：(0.05-0.25)ml：(5-15)ml。

3.如權(quán)利要求1所述的基于蒸氣冷凝法制備氨基功能化中空硅球的方法，其特征在于，步驟(2)中，所述密閉空間的濕度為75％-80％之間，密閉空間的溫度為25℃。

4.如權(quán)利要求1所述的基于蒸氣冷凝法制備氨基功能化中空硅球的方法，其特征在于，步驟(2)中，冷凝時(shí)間為15-40min。

5.如權(quán)利要求1所述的基于蒸氣冷凝法制備氨基功能化中空硅球的方法，其特征在于，步驟(3)中，恒溫環(huán)境的溫度為25-60℃，反應(yīng)時(shí)間為1.0-7.0h。

6.將權(quán)利要求1～5任一項(xiàng)所述基于蒸氣冷凝法制備的氨基功能化中空硅球用于吸附脫除水溶液中鉛離子的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于環(huán)保功能材料技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種基于蒸氣冷凝法制備氨基功能化中空硅球的方法及其吸附鉛離子的應(yīng)用。利用高濕環(huán)境下，空氣中的水蒸氣會(huì)在冷的油相表面冷凝的原理制備納米液滴反應(yīng)器，并以堿性硅烷偶聯(lián)劑營(yíng)造堿性微環(huán)境且催化硅烷偶聯(lián)劑的水解縮合反應(yīng)，制備氨基功能化二氧化硅，通過調(diào)控表面活性劑Span?80的用量、冷凝時(shí)間和硅烷偶聯(lián)劑的用量比，制備了氨基功能化的中空二氧化硅吸附劑(SN3?2)，解決了中空功能化硅球的制備過程復(fù)雜的問題，且其在Pb<supgt;2+</supgt;的脫除應(yīng)用中能在80min內(nèi)達(dá)到吸附平衡、飽和吸附容量為567mg/g。

技術(shù)研發(fā)人員：陳學(xué)平,潘建明
受保護(hù)的技術(shù)使用者：江蘇大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17