專利名稱：一種吸附重金屬離子的聚合物水凝膠及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種吸附材料，特別是吸附重金屬的高分子聚合物水凝膠及其制備方法
背景技術：
近年來，隨著人們對金屬礦產品需求量的不斷增大，所引發的環境問題日趨嚴重，對人類的身體健康也產生了很大的威脅。因此，有效處理重金屬廢水是現在亟待解決的問題。目前，處理重金屬廢水最廣泛的方法是化學沉淀處置技術，這種技術工藝簡單，但存在出水金屬濃度偏高，易產生二次污染，廢水回用困難等缺點。而吸附法由于處理流程簡單，也被廣泛應用于重金屬廢水處理中。吸附劑主要有活性炭、沸石、離子樹脂和螯合樹脂(如公開號為CN1772386的一種螯合樹脂)等，但普遍存在吸附容量低、吸附速率慢的缺點。而有關水凝膠作為吸附劑的研究還相對較少且吸附重金屬能力不強。水凝膠是不溶于水但在水中高度溶脹的具有網狀交聯結構的聚合物。它具有低交聯度、高溶脹率的結構和性能特點。水凝膠中存在著大量的功能基團，使其作為一類新型吸附材料對重金屬的吸附具有較好的作用。目前，人工合成的高分子聚合物水凝膠包括聚丙烯酸類水凝膠等，它擁有羧基等可結合重金屬的有效基團，對重金屬的吸附起到了一定的作用。但現有的高分子聚合物水凝膠普遍存在生產成本高且生產工藝復雜，難以工業化，吸附效果不顯著等諸多缺點。
發明內容
本發明的目的在于提供一種生產工藝簡單、成本低并對重金屬具有良好吸附能力的聚合物水凝膠及其制備方法
本發明的技術方案為:
本發明所述水凝膠是由可溶性淀粉、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨三種單體共聚而成的不溶于水但在水中高度溶脹的三維網狀高分子聚合物，它具有高溶脹率、高吸水性及良好的保水性能，同時也具有一般高分子化合物的基本特征。其中，可溶性淀粉為大米淀粉、玉米淀粉及馬鈴薯淀粉中的一種。本發明的聚合物水凝膠的制備方法主要包括以下步驟:
(1)在氮氣氣氛下，按質量計份，將1.5 2.5份可溶性淀粉和80 120份蒸餾水混合均勻，在75 90°C溫度內糊化；
(2)向2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸中加入NaOH粉末，將其pH值調節為3 6，在冰水浴中向步驟(I)獲得的產物中加入N，N’ -亞甲基雙丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨和已調節PH值的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，將其混合均勻，攪拌。按質量份計，N, N’-亞甲基雙丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的份數分別為0.1 0.3份、2 6份和12 15份，攪拌均勻；
(3)向步驟(2)獲得的產物中加入引發劑過硫酸銨0.1 0.4份；
(4)然后加熱將溫度控制在70 90°C，氮氣氣氛反應30 150min，即聚合生成水凝膠。本發明制備的聚合物水凝膠在吸附重金屬離子中的應用步驟如下:
①將制備好的聚合物水凝膠切割成體積約為I立方厘米的塊狀；
②將切成小塊的聚合物水凝膠用去離子水多次洗滌；
③在25°C條件下對Cu2+和Fe3+兩種重金屬離子進行吸附。本發明與現有技術相比其具有如下優點:
1、本發明的產品為具有功能性基團的有機高分子聚合物，并且該聚合物中的功能基團能有效吸附螯合重金屬離子。特別是對銅和鐵兩種重金屬吸附作用非常明顯。2、本發明的制備方法簡單、易于操作、生產成本低，可工業化生產。
圖1為本發明水凝膠的SEM圖。
具體實施例方式本發明通過實施例進行進一步說明，但本發明并不局限于以下實施例。實施例1:
在氮氣氣氛下，按質量計份，將2份可溶性大米淀粉和100份蒸餾水混合均勻，在80°C溫度內糊化。而后加入N，N’ -亞甲基雙丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨和用NaOH粉末中和至pH值為4的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，混合均勻，攪拌。按質量份計，N, N’-亞甲基雙丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的份數分別為0.16份、4.5份和13.5份。攪拌均勻，加入引發劑過硫酸銨0.2份。然后加熱將溫度控制在70°C，氮氣氣氛反應IOOmin，聚合生成聚合物水凝膠。將上面獲得的聚合物水凝膠切成體積約為I立方厘米的小塊并進行多次洗滌后，在60°c溫度下烘干；使用SEM對產物表面結構進行表征。從圖1所示的本發明水凝膠SEM圖上可以看出，產物具有較好的孔狀結構和較大的比表面積。實施例2:
在氮氣氣氛下，按質量計份，將1.5份可溶性玉米淀粉和120份蒸餾水混合均勻，在90°C溫度內糊化。而后加入N，N’ -亞甲基雙丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨和用NaOH粉末中和至pH值為6的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，混合均勻，攪拌。按質量份計，N, N’ -亞甲基雙丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的份數分別為0.1份、6份和12份。攪拌均勻，加入引發劑過硫酸銨0.3份。然后加熱將溫度控制在90°C，氮氣氣氛反應30min，聚合生成聚合物水凝膠。將上面獲得的聚合物水凝膠切成體積約為1立方厘米小塊并進行多次洗滌后，在60°C溫度下烘干；稱取聚合物水凝膠0.1g干燥后的產物兩份分別置于1OOmL錐形瓶中，然后分別加入50mL lg/L的Cu2+和2g/L的Fe3+兩種單一溶液，將錐形瓶置于恒溫振蕩器中25°C下進行恒溫吸附，3min即可充分吸附，分別測定兩種金屬離子溶液吸附前與吸附后的濃度。測量方法為稀釋后使用原子吸收法。通過吸附前后離子的濃度差，可以計算該產物對Cu2+和Fe3+的吸附容量為90mg/g和130mg/g。
實施例3:
在氮氣氣氛下，按質量計份，將2.5份可溶性馬鈴薯淀粉和80份蒸餾水混合均勻，在75°C溫度內糊化。而后加入N，N’ -亞甲基雙丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨和用NaOH粉末中和至pH值為3的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，混合均勻，攪拌。按質量份計，N, N’ -亞甲基雙丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的份數分別為0.3份、2份和15份。攪拌均勻，加入引發劑過硫酸銨0.1份。然后加熱將溫度控制在80°C，氮氣氣氛反應150min，聚合生成聚合物水凝膠。將上面獲得的聚合物水凝膠切成體積約為I立方厘米小塊并進行多次洗滌后，在60°C溫度下烘干；稱取聚合物水凝膠0.1g干燥后的產物兩份分別置于IOOmL錐形瓶中，然后分別加入50mL lg/L的Cu2+和lg/L的Fe3+兩種單一溶液，將錐形瓶置于恒溫振蕩器中25°C下進行恒溫吸附，3min即可充分吸附，分別測定兩種金屬離子溶液吸附前與吸附后的濃度。測量方法為稀釋后使用原子吸收法。通過吸附前后離子的濃度差，可以計算該產物對Cu2+和Fe3+的吸附容量為90mg/g和110mg/g。實施例4:
在氮氣氣氛下，按質量計份，將2份可溶性大米淀粉和120份蒸餾水混合均勻，在80°C溫度內糊化。而后加入N，N’ -亞甲基雙丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨和用NaOH粉末中和至pH值為6的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，混合均勻，攪拌。按質量份計，N, N’-亞甲基雙丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的份數分別為0.16份、6份和13.5份。攪拌均勻，加入引發劑過硫酸銨0.4份。然后加熱將溫度控制在70°C，氮氣氣氛反應IOOmin，聚合生成聚合物水凝膠。將上面獲得的聚合物水凝膠切成體積約為I立方厘米小塊并進行多次洗滌后，在60°C溫度下烘干；稱取聚合物水凝膠0.1g干燥后的產物兩份分別置于IOOmL錐形瓶中，然后分別加入50mL 2g/L的Cu2+和lg/L的Fe3+兩種單一溶液，將錐形瓶置于恒溫振蕩器中25°C下進行恒溫吸附，3min即可充分吸附，分別測定兩種金屬離子溶液吸附前與吸附后的濃度。測量方法為稀釋后使用原子吸收法。通過吸附前后離子的濃度差，可以計算該產物對Cu2+和Fe3+的吸附容量為100mg/g和110mg/g。實施例5:
在氮氣氣氛下，按質量計份，將1.5份可溶性馬鈴薯淀粉和100份蒸餾水混合均勻，在90°C溫度內糊化。而后加入N，N’ -亞甲基雙丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨和用NaOH粉末中和至pH值為4的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，混合均勻，攪拌。按質量份計，N, N’ -亞甲基雙丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的份數分別為0.1份、4.5份和12份。攪拌均勻，加入引發劑過硫酸銨0.2份。然后加熱將溫度控制在90°C，氮氣氣氛反應30min，聚合生成聚合物水凝膠。將上面獲得的聚合 物水凝膠切成體積約為I立方厘米小塊并進行多次洗滌后，在60°C溫度下烘干；稱取聚合物水凝膠0.1g干燥后的產物兩份分別置于IOOmL錐形瓶中，然后分別加入50mL 2g/L的Cu2+和2g/L的Fe3+兩種單一溶液，將錐形瓶置于恒溫振蕩器中25°C下進行恒溫吸附，3min即可充分吸附，分別測定兩種金屬離子溶液吸附前與吸附后的濃度。測量方法為稀釋后使用原子吸收法。通過吸附前后離子的濃度差，可以計算該產物對Cu2+和Fe3+的吸附容量為100mg/g和130mg/g。
權利要求
1.一種吸附重金屬離子的聚合物水凝膠，其特征是:該水凝膠是由可溶性淀粉、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨三種單體通過水溶液聚合法共聚合成的不溶于水但在水中高度溶脹的三維網狀高分子聚合物。
2.權利要求1的吸附重金屬離子的聚合物水凝膠的制備方法，其特征是: (1)在氮氣氣氛下，按質量計份，將1.5 2.5份可溶性淀粉和80 120份蒸餾水混合均勻，在75 90°C溫度內糊化； (2)在冰水浴中向步驟(1)獲得的產物中分別加入N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨和用NaOH粉末中和至pH值為3 6的2-丙烯酰胺_2_甲基丙磺酸，將其混合均勻，攪拌，按質量份計，N，N’ -亞甲基雙丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的份數分別為0.1 0.3份、2 6份和12 15份，攪拌均勻； (3)向步驟(2)獲得的產物中加入引發劑過硫酸銨0.1 0.4份； (4)然后加熱將溫度控制在70 90°C，氮氣氣氛反應30 150min，即聚合生成水凝膠。
3.根據權利要求2所述的吸附重金屬離子的聚合物水凝膠的制備方法，其特征是:所述可溶性淀粉為大米淀粉、玉米淀粉、馬鈴薯淀粉中的一種。
4.權利要求1 所述的吸附重金屬離子的聚合物水凝膠在吸附重金屬離子的應用。
全文摘要
一種吸附重金屬離子的聚合物水凝膠，其主要是該水凝膠是由可溶性淀粉、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨三種單體通過水溶液聚合法共聚合成的不溶于水但在水中高度溶脹的三維網狀高分子聚合物；其制備方法是在氮氣氣氛下，將可溶性淀粉和蒸餾水混合，在75～90℃溫度內糊化；在冰水浴中向糊化的產物中分別加入N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨和用NaOH粉末中和至pH值為3～6的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，攪拌均勻；向上述產物中加入引發劑過硫酸銨，然后加熱將溫度控制在70～90℃，氮氣氣氛反應30～150min，即聚合生成水凝膠。本發明方法簡單、成本低，產品對重金屬具有良好的吸附能力。
文檔編號B01J20/26GK103102453SQ20131000897
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月11日 優先權日2013年1月11日
發明者張偉, 孫鵬飛, 賈彥虹, 韓樹民, 程穎 申請人:燕山大學