申请日2015.12.22
公开(公告)日2016.06.01
IPC分类号B01J20/26; B01J20/30; B01J20/28; B01J13/00; C02F1/28; C02F1/62
摘要
本发明公开了一种吸附金属离子的污水处理专用秸秆水凝胶复合材料的制备方法，所述水凝胶包含组分及各组分的重量份数为聚乙烯醇86~92份，膨润土0.5~4.0份，秸秆1.5~8份，硼酸1.0~2.0份。采用秸秆纤维素纤维以微纳米纤丝形式加入，纳米纤维素水凝胶是智能水凝胶的一种，是一种多孔材料，并且自身孔径小，多孔性赋予了其良好的保水能力，是一种多功能性吸附材料，具有快速高效、吸附容量高、选择性高的特点，对重金属离子的吸附具有显著的效果，同时制备工艺简单，成本低廉，可操作性强，在污水处理领域具有良好的应用前景。
权利要求书
1.一种污水处理专用秸秆水凝胶复合材料的制备方法，其特征是由秸秆改性的水凝胶，主要由以下重量份的原料制备而成：
聚乙烯醇86~92份
膨润土0.5~4.0份
秸秆1.5~8份
硼酸1.0~2.0份
其中，所述聚乙烯醇的聚合度为400~3000，醇解度为75~99%;所述水凝胶复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将膨润土加热溶于去离子水中，充分溶解得到悬浮液，然后将该悬浮液超声分散，得到均匀的膨润土分散液;
(2)将秸秆经高能超声波粉碎机超声，超声时间为10min，超声功率为1000W，在超声的过程中为了防止纤维过热引发团聚，使超声的纤维悬浮液烧杯放置在装有冰块的大烧中;
(3)向膨润土分散液中加入聚乙烯醇，随后将添加到纳米纤维素悬浮液中，对应的PVA:CNC重量浓度分别为1.5%、2.0%、3.4%、5.4%、7.5%和9.8%，80~500oC下搅拌2~3h，搅拌过程中匀速滴入3%氧化钙的硼酸溶液得到膨润土改性的纳米纤维丝聚乙烯醇水凝胶混合溶液，加入硼酸过程同时持续通氮气;
(4)将膨润土改性的纳米纤维丝聚乙烯醇水凝胶混合溶液重复至少5次冷冻一解冻循环过程，制得膨润土改性聚乙烯醇水凝胶，冷冻解冻温度区间为?20~20℃，降温和升温速度均为0.2℃/min，在?20和20℃分别保持1h，得到一种用于污水处理的秸秆水凝胶复合材料。
2.根据权利要求1所述一种污水处理专用水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于:秸秆的粒径分布范围在0.1～80μm之间。
3.权利要求1-2任一项所述的一种污水处理专用秸秆水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：获得的水凝胶复合材料用于吸附污水中的重金属离子。
说明书
一种污水处理专用秸秆水凝胶复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种污水处理的水凝胶复合材料的制备方法，属于高分子材料领域。
背景技术
传统的重金属的处理方法主要化学处理法、超滤法和吸附法。化学法虽然净化速度快，工艺简单，但容易产生二次污染，废水回收困难;超滤法工艺复杂，成本高，效果欠佳;吸附法是目前重金属废水处理中最常用的方法，具有成本低，操作简单，无二次污染等优点。
目前常用的吸附剂如活性炭、沸石、离子树脂、螯合树脂等，已经得到很好应用。然而上述吸附剂存在吸附容量低、选择性差、效率低等缺点，很难对低浓度重金属废水实现深度处理。
水凝胶是一种经适度交联而具有三维网络结构的新型功能高分子材料，除了具有一般高分子材料的基本特征之外，因其独特的吸水、保水、仿生以及吸附特性，被广泛应用于工业、农业、医药、生物工程材料以及水处理等领域。因此，研究对重金属高效、高吸附容量、高度选择性新型水凝胶吸附材料非常关键。聚乙烯醇(PVA)是一种无毒、生物可降解水溶性高分子材料，具有优异的力学性能、pH值稳定性和生物相容性，由于PVA仅为羟基官能团，限制了其对重金属等污染物的吸附能力。因此，制备官能化PVA水凝胶在水处理方面具有广阔的应用前景。
膨润土是一种由层状硅酸盐组成的粘土矿物，属于蒙脱土的一种.与其他层状硅酸盐相比，膨润土在水中具有极好的溶胀性，可以均匀地分散在水溶液中。研究表明，利用膨润土的这种特性可以制备剥离型的聚合物/膨润土纳米复合材料。中国专利申请号为201410239325.5的发明专利公开了一种粘土改性聚乙烯醇防污水凝胶的制备方法。得到粘土改性聚乙烯醇防污水凝胶。本方法制备工艺简单，原料易于得到且制备成本低廉。所得凝胶体系防污效果优良，可有效抑制蛋白及海洋藻类的附着，在船舶防污材料领域具有很好的应用前景。
中国学位论文公开了“稻秸细胞壁力学性能及其纤维复合材料研究”并以其中的稻秸纤维素纤维为原料,利用高能超声波法和高压纳米均质机法分别制备了微/纳米纤丝,探讨了分别以聚丙烯(PP)和聚乙烯醇(PVA)为基体物质、以微/纳米纤丝为增强材料,制取微/纳米纤丝/PP和微纳米纤丝/PVA纳米复合材料的合成方法、工艺条件、改性剂以及微/纳米纤丝含量对纳米复合材料力学性能、热学性能和纳米复合材料界面特性的影响。
针对污水处理中重金属对吸附材料的高效、高吸附容量、高选择性等要求，本发明利用聚乙烯醇三维结构网状结构和膨润土独特的层状结构，以及纤维素纳米纤维丝的独特性能制备的水凝胶复合材料彻底解决了对低浓度重金属废水实现深度处理和现有吸附剂吸附容量低、选择性差、效率低等缺点。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是本发明的目的是提供了一种污水处理专用秸秆水凝胶复合材料的制备方法。结合膨润土和秸秆独特的结构，将其与水凝胶经改性处理后得到一种用于污水处理的水凝胶复合材料。1、通过对聚乙烯醇凝胶材料表面性的处理，使材料对重金属的吸附力增强;2、通过凝胶结构改性使对重金属的吸附量增大;3、通过共混、接枝等改性，在水凝胶中引入第二种吸附材料以提高对重金属的吸附性、使用寿命、降低成本。
为解决上述技术问题，本发明以聚乙烯醇为基础材料，将膨润土、秸秆处理后与聚乙烯醇、硼酸进行凝胶化处理，制备一种污水处理复合凝胶材料。
一种污水处理专用秸秆水凝胶复合材料的制备方法，其特征是由秸秆改性的水凝胶，主要由以下重量份的原料制备而成：
聚乙烯醇86~92份
膨润土0.5~4.0份
秸秆1.5~8份
硼酸1.0~2.0份
其中，所述聚乙烯醇的聚合度为400~3000，醇解度为75~99%;所述水凝胶复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将膨润土加热溶于去离子水中，充分溶解得到悬浮液，然后将该悬浮液超声分散，得到均匀的膨润土分散液;
(2)将秸秆经高能超声波粉碎机超声，超声时间为10min，超声功率为1000W，在超声的过程中为了防止纤维过热引发团聚，使超声的纤维悬浮液烧杯放置在装有冰块的大烧中;
(3)向膨润土分散液中加入聚乙烯醇，随后将添加到纳米纤维素悬浮液中，对应的PVA:CNC重量浓度分别为1.5%、2.0%、3.4%、5.4%、7.5%和9.8%，80~500oC下搅拌2~3h，搅拌过程中匀速滴入3%氧化钙的硼酸溶液得到膨润土改性的纳米纤维丝聚乙烯醇水凝胶混合溶液，加入硼酸过程同时持续通氮气;
(4)将膨润土改性的纳米纤维丝聚乙烯醇水凝胶混合溶液重复至少5次冷冻一解冻循环过程，制得膨润土改性聚乙烯醇水凝胶，冷冻解冻温度区间为?20~20℃，降温和升温速度均为0.2℃/min，在?20和20℃分别保持1h，得到一种用于污水处理的秸秆水凝胶复合材料。
所述的秸秆的粒径分布范围在0.1～80μm之间。
所述的一种污水处理专用水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：获得的水凝胶复合材料用于吸附污水中的重金属离子。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用秸秆纤维素纤维以微纳米纤丝形式加入，纳米纤维素水凝胶是智能水凝胶的一种，是一种多孔材料，并且自身孔径小，多孔性赋予了其良好的保水能力，是一种多功能性吸附材料。
2、本发明中膨润土的加入，以其本身具有的吸附特性，靠范德华作用相结合，作用力比较弱，很容易形成稳定的悬浮液，当其加入到聚乙烯醇水凝胶基质中后，会起到一定的物理交联点的作用，提高对重金属的吸附性、使用寿命、降低成本。
3、本发明的复合水凝胶制备工艺简单，操作性强且制备的复合水凝胶性能稳定，生物相容性好，可循环利用并无二次污染，利于环境可持续发展。
4、本发明制备的复合水凝胶具有快速高效、高吸附容量、高选择性的特点，对重金属离子的吸附具有显著的效果。
5、本发明制备的复合水凝胶性能稳定、再生重复利用性好，易于分离的特点，即可用于工业重金属污水处理，也可用于生活饮用水中重金属离子的吸附。