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CN105504166B - 一种海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

一种海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海藻酸钠‑丙烯酰胺复合水凝胶，其制备方法包括如下步骤：1)将海藻酸钠和丙烯酰胺按比例溶于水中混合均匀；2)依次加入交联剂、引发剂加入进行真空除泡处理后，加入催化剂；3)将所得混合液转移至玻璃模具中加热进行反应，即得所述的海藻酸钠‑丙烯酰胺复合水凝胶。本发明所述海藻酸钠‑丙烯酰胺复合水凝胶具有较好的多价离子吸附能力和生物相容性；结合聚丙烯酰胺网络和海藻酸钠与丙烯酰胺的接枝共聚作用，使所得水凝胶的力学性能得到有效提升；且该水凝胶在不同pH下具有敏感性、可与多种阳离子染料和重金属离子产生分子间相互作用，适用于化学物质的吸附分离及污水处理等领域。

Description

一种海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于环保材料领域，具体涉及一种海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
随着工业发展、城镇化提速以及人口数量的膨胀，我国面临着十分严峻的水环境形势。近几年，中国重大环境污染以及事故频频发生，其中水污染事故占一半左右。据监察部统计分析，我国每年水污染事故都在1700起以上，水污染已严重影响到人民群众的生产生活。2015年4月16日，国务院正式发布《水污染防治行动计划》，“水十条”出台。关于水污染严重的原因主要受三个因素影响，一是工业污染；二是城市生活污水；三是面源污染，即农田施用化肥、农药及水土流失造成的氮、磷等污染。工业废水的排放是造成水体污染的主要原因。主要是因为工业废水中含有多种有害的重金属离子(如铬、镉、铜、汞、镍、锌等)，这些离子如果处理不彻底会带来严重的生态问题，例如“水俣病”和“痛痛病”。因此，污水中重金属离子的除去是污水处理的重要研究课题。
吸附法对重金属离子废水具有很好的去除效率、能够有效回收废水中微量重金属等特殊优点，是一种处理重金属离子的重要方法。用于重金属离子吸附的水凝胶早有报道：吴鹏等制备了一种海藻酸钠/纤维素水凝胶球，该复合凝胶球对亚甲基蓝、金胺O和臧红T等阳离子染料有着良好的吸附效果，并且含有50％海藻酸钠凝胶球对亚甲基蓝的吸附量为163.36mg/g(吴鹏，刘志明.海藻酸钠/纤维素水凝胶球的制备与应用.功能材料，2015，46(10)：10144-10147)；袁毅桦等制备了一种交联壳聚糖/海藻酸钠吸附剂，其对水相中的Cu2+具有良好的吸附性(袁毅桦，雷莉等.环氧氯丙烷交联壳聚糖/海藻酸钠吸附铜离子的研究.华南理工大学学报(自然科学版)，2012,40(7):148-154)。
海藻酸钠与二价及以上金属离子能很好的络合，具有较好的吸附性能；但是单纯的海藻酸钠在水中易溶胀，力学性能差，这大大限制了海藻酸钠的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶及其制备方法和应用，所述海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶具有较好的力学性能和较高吸附效率，可有效吸附重金属离子、阳离子染料等有害化学物质，用于污水处理，还可用作组织工程支架等领域。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法，具体包括步骤如下：
1)将海藻酸钠和丙烯酰胺按1:(5～12)的质量比溶于水中，得均匀的混合液I；
2)依次将交联剂、引发剂加入混合液I中，进行真空除泡处理后加入催化剂得混合液II，其中交联剂、引发剂、催化剂与丙烯酰胺的质量比为(0.05～5):(0.1～2):(0.2～2.5):100；
3)将所得混合液II转移至保护气体气氛的玻璃模具中，在40～70℃下保温反应1～6h，即得所述的海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶；将凝胶取出剪成均匀块状，用无水乙醇与去离子水每隔12小时交替洗涤，以除去未反应的丙烯酰胺等小分子，冷冻干燥至恒重。
上述方案中，所述混合液I中海藻酸钠和丙烯酰胺的总浓度为10～20wt％。
上述方案中，所述交联剂可选N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、N,N'-二烯丙基酒石酸二酰胺、二乙烯基苯、多缩乙二醇二丙烯酸酯或多缩乙二醇二甲基丙烯酸酯等。
上述方案中，所述引发剂可选过硫酸铵、过硫酸钾或过硫酸钠等。
上述方案中，所述催化剂可选亚硫酸钠、亚硫酸氢钠或硫代硫酸钠等。
上述方案中，所述真空脱泡处理条件为：抽真空至压力为0.02～0.005MPa，时间为1～3h。
优选的，步骤3)中所述保温反应时间为1.5～2.5h。
上述方案中，所述保护气体为氮气或氩气等。
根据上述方案制备的海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶，其中丙烯酰胺与交联剂聚合交联形成的水凝胶三维网络，海藻酸钠线性分子穿插其中；且海藻酸钠与丙烯酰胺发生接枝共聚，其长链上的羧基与聚丙烯酰胺上的氨基通过形成酰胺基团进行交联。所得海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶的结构示意图如图1所示，其中节点①如图中式(1)所示，节点②如图中式(2)所示。
根据上述方案制备的海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶可用作重金属离子的吸附剂，用于吸附分离铜离子、汞离子、镉离子、铅离子、锌离子、钡离子、铬离子、锰离子、钴离子、镍离子或钨离子等。
本发明所述海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶为海藻酸钠与丙烯酰胺的接枝共聚物，丙烯酰胺与交联剂聚合交联形成的水凝胶三维网络；海藻酸钠线性分子穿插其中，在真空无氧或少氧条件下，其长链上的羧基与聚丙烯酰胺上的氨基通过形成酰胺基团进行交联；所述真空除泡处理步骤能有效脱除混合溶液中的气泡，减少甚至避免水凝胶中的应力缺陷，提升其力学性能；同时真空脱泡能脱除反应溶液中的氧气，并结合引发体系，促进海藻酸钠与丙烯酰胺的交联过程，提高所得水凝胶的力学性能。
本发明的有益效果为：
1)本发明一步反应即可成型，涉及的制备工艺简单，可制备各种形状的水凝胶，且原料来源广、成本低廉。
2)本发明所述除泡处理步骤能有效脱除混合溶液中的气泡，使成型的水凝胶不会产生应力缺陷，有效提升其力学性能；同时真空脱泡能脱除溶液中的氧气，可有效促进海藻酸钠与丙烯酰胺的交联过程，并缩短反应时间。
3)本发明所述海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶具有良好的多价离子吸附能力和生物相容性等特点；同时海藻酸钠穿插在聚丙烯酰胺水凝胶三维网络中，并可实现海藻酸钠与丙烯酰胺的接枝共聚，使所得水凝胶具有优异的力学性能和抗溶胀性能。
4)本发明所得水凝胶在不同pH下具有敏感性，可与多种阳离子染料和重金属离子产生分子间相互作用，适用于化学物质的吸附分离及污水处理等领域。
附图说明
图1为海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶的结构示意图。
图2为本发明实施例5所得海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶在不同pH条件下的溶胀率。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例如无具体说明，采用的试剂均为市售化学试剂或工业产品。
以下实施例中，溶胀性能的测试方法如下：将本发明所得海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶制成直径1.0cm、高1mm的圆柱体试件，干燥至恒重后分别浸泡于pH为2、4、6、8的缓冲液中(25℃)，定期测量其质量，直至达到溶胀平衡，以测试其溶胀性能。
吸附性能的测试方法如下：准确称取300mg冷冻干燥至恒重之后的海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶，在25℃下加入100ml浓度为5g/L的重金属盐水溶液中，进行恒温振荡，用原子吸收光谱测得重金属离子的吸附量，直至吸附平衡，计算样品的最大吸附量。
压缩测试的测试方法如下：采用万能材料试验机(RGM-30A)对干燥至恒重，直径、高度均为10mm的柱状海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶样品进行压缩测试，压缩形变为50％，压缩速率为2mm/min。
实施例1
一种海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶，其制备方法包括以下步骤：
室温下将海藻酸钠(SA)粉末和丙烯酰胺(AM)按1:5的质量比溶解于离子水中，得均匀的混合液I，混合液I中海藻酸钠和丙烯酰胺的总浓度为11wt％；再依次加入N,N'-二烯丙基酒石酸二酰胺和过硫酸钠，溶解之后进行真空除泡处理(抽真空至0.02MPa，时间为2h)，然后加入亚硫酸氢钠混合均匀，其中N,N'-二烯丙基酒石酸二酰胺、过硫酸钠、亚硫酸氢钠与丙烯酰胺单体的质量比分别为3.85:0.9:1.55:100，然后将所得溶液转移至氮气气氛的玻璃模具中，密封后在70℃下保温反应2.5h，即成型制得所述海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶。
将成型的海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶取出剪成均匀块状，用无水乙醇与去离子水每隔12小时交替洗涤，洗涤四天，以除去未反应的丙烯酰胺等小分子，冷冻干燥干燥至恒重。
将本实施例经干燥至恒重所得海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶进行吸附性能，通过原子吸收光谱测得在硫酸铜溶液(重金属盐水溶液)中对铜离子的吸附量为13.40mg/g；通过万能材料试验机测得(压缩测试)形变为50％时，压缩强度为6.03MPa。
实施例2
一种海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶，其制备方法包括以下步骤：
室温下将海藻酸钠(SA)粉末和丙烯酰胺(AM)按1:7的质量比溶解于离子水中，得均匀的混合液I，混合液I中海藻酸钠和丙烯酰胺的总浓度为13wt％；再依次加入二乙烯基苯和过硫酸钾，溶解之后进行真空除泡处理(抽真空至0.015MPa，时间为1.3h)，然后加入亚硫酸钠混合均匀，其中二乙烯基苯、过硫酸钾、亚硫酸钠与丙烯酰胺单体的质量比分别为2.95:1.9:2.35:100，然后将所得溶液转移至氮气气氛的玻璃模具中，密封后在60℃下保温反应6h，即成型制得所述海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶。
将成型的海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶取出剪成均匀块状，用无水乙醇与去离子水每隔12小时交替洗涤，洗涤四天，以除去未反应的丙烯酰胺等小分子，冷冻干燥至恒重。
将本实施例经干燥至恒重所得海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶进行吸附性能，通过原子吸收光谱测得在氯化钡溶液中对钡离子的吸附量为17.13mg/g；通过万能材料试验机测得(压缩测试)形变为50％时，压缩强度为10.03MPa。
实施例3
一种海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶，其制备方法包括以下步骤：
室温下将海藻酸钠(SA)粉末和丙烯酰胺(AM)按1:9的质量比溶解于离子水中，得均匀的混合液I，混合液I中海藻酸钠和丙烯酰胺的总浓度为15wt％；再依次加入多缩乙二醇二丙烯酸酯和过硫酸钠，溶解之后进行真空除泡处理(抽真空至0.01MPa，时间为2.5h)，然后加入硫代硫酸钠混合均匀，其中多缩乙二醇二丙烯酸酯、过硫酸钠、硫代硫酸钠与丙烯酰胺单体的质量比分别为4.8:0.1:0.25:100，然后将所得溶液转移至氩气气氛的玻璃模具中，密封后在45℃下保温反应4h，即成型制得所述海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶。
将成型的海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶取出剪成均匀块状，用无水乙醇与去离子水每隔12小时交替洗涤，洗涤四天，以除去未反应的丙烯酰胺等小分子，冷冻干燥至恒重。
将本实施例经干燥至恒重所得海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶进行吸附性能，通过原子吸收光谱测得在氯化锌溶液中锌离子的吸附量为14.23mg/g；通过万能材料试验机测得(压缩测试)形变为50％时，压缩强度为15.52MPa。
实施例4
一种海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶，其制备方法包括以下步骤：
室温下将海藻酸钠(SA)粉末和丙烯酰胺(AM)按1:9的质量比溶解于离子水中，得均匀的混合液I，混合液I中海藻酸钠和丙烯酰胺的总浓度为15wt％；再依次加入多缩乙二醇二甲基丙烯酸酯和过硫酸钾，溶解之后进行真空除泡处理(抽真空至0.0075MPa，时间为2.5h)，然后加入亚硫酸氢钠混合均匀，其中多缩乙二醇二甲基丙烯酸酯、过硫酸钾、亚硫酸氢钠的质量比分别为2.1:0.25:0.5:100，然后将所得溶液转移至氩气气氛的玻璃模具中，密封后在55℃下保温反应3h，即成型制得所述海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶。
将成型的海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶取出剪成均匀块状，用无水乙醇与去离子水每隔12小时交替洗涤，洗涤四天，以除去未反应的丙烯酰胺等小分子，冷冻干燥至恒重。
将本实施例经干燥至恒重所得海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶进行吸附性能，通过原子吸收光谱在硝酸镉溶液中测得镉离子的吸附量为17.34mg/g；通过万能材料试验机测得(压缩测试)形变为50％时，压缩强度为12.33MPa。
实施例5
一种海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶，其制备方法包括以下步骤：
室温下将海藻酸钠(SA)粉末和丙烯酰胺(AM)按1:8的质量比溶解于离子水中，得均匀的混合液I，混合液I中海藻酸钠和丙烯酰胺的总浓度为17wt％；再依次加入N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)和过硫酸铵((NH4)2S2O8)，溶解之后进行真空除泡处理(抽真空至0.005MPa，时间为3h)，然后加入亚硫酸钠混合均匀，其中N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵、亚硫酸钠的质量比分别为0.2:0.5:1:100，然后将所得溶液转移至氮气气氛的玻璃模具中，密封后在65℃下保温反应1.5h，即成型制得所述海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶。
将成型的海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶取出剪成均匀块状，用无水乙醇与去离子水每隔12小时交替洗涤，洗涤四天，以除去未反应的丙烯酰胺等小分子，冷冻干燥至恒重。
将本实施例经干燥至恒重所得海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶进行溶胀性能试验，结果见图2。结果表明：所得水凝胶的溶胀比随着pH的增加而增加，溶胀比最高可达到34.6。
上述结果表明：本发明制备的海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶具有优异的力学性能、重金属吸附能力和抗溶胀能力。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法，其特征在于，具体包括步骤如下：
1）将海藻酸钠和丙烯酰胺按1:(5～12)的质量比溶于水中，得均匀的混合液I；
2）依次将交联剂、引发剂加入混合液I中，进行真空除泡处理后加入催化剂得混合液II，其中交联剂、引发剂、催化剂与丙烯酰胺的质量比为(0.05～5):(0.1～2):(0.2～2.5):100；
3）将所得混合液II密封至保护气体气氛的玻璃模具中，加热至40～70℃保温反应1～6h，即得所述的海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶；
所述真空除泡处理条件为：抽真空至压力为0.005～0.02MPa，时间为1～3h。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合液I中海藻酸钠和丙烯酰胺的总浓度为10～20wt%。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、N,N'-二烯丙基酒石酸二酰胺、二乙烯基苯、多缩乙二醇二丙烯酸酯或多缩乙二醇二甲基丙烯酸酯。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾或过硫酸钠。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂为亚硫酸钠、亚硫酸氢钠或硫代硫酸钠。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3）所述保温反应时间为1.5~2.5h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述保护气体为氮气或氩气。
8.权利要求1~7任一项所述制备方法制备的海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶。
9.权利要求8所述海藻酸钠-丙烯酰胺复合水凝胶作为重金属离子的吸附剂的应用，其特征在于，用于吸附铜离子、汞离子、镉离子、铅离子、锌离子、钡离子、铬离子、锰离子、钴离子、镍离子或钨离子。
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