一种具有重金属吸附功能的纳米纤维膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有重金属吸附功能的纳米纤维膜及其制备方法，包括基质及自组装在表面的大分子；制备：通过化学氧化聚合法在热塑性纳米纤维膜上自组装携带氨基基团的大分子，即得。本发明专利技术制备工艺简单，成本低，避免了传统重金属离子吸附剂需二次分离的弊端，可高校吸附重金属离子，利用先吸附后还原的原理，实现对六价铬离子的有效去除，且大分子于亲水性纳米纤维膜之间存在很强的氢键作用，大分子不会从膜上脱落，可循环使用。

【技术实现步骤摘要】
一种具有重金属吸附功能的纳米纤维膜及其制备方法
本专利技术属于重金属吸附材料及其制备领域，特别涉及一种具有重金属吸附功能的纳米纤维膜及其制备方法。
技术介绍
目前在开采、储存、冶炼、加工等工业生产过程中所产生的污染物越来越多，其中重化、轻纺等领域的工业废水中含有大量的重金属离子，如铬、铅、镉、镍、铜等会进入土壤、水体、大气等环境介质中，对其中动植物的生存与生长造成严重的危害，并且重金属可大量富集在动植物体中，人类会因食用富集重金属的食物，而慢性中毒。吸附技术作为去除重金属离子的有效方法在水处理领域发挥着其他技术无法取代的重要作用，传统的吸附材料普遍表现去除低浓度重金属离子能力弱、成本高等弱点，且许多吸附材料对重金属离子的吸附有选择性、通用性差。目前常用的吸附材料为活性炭、农业废弃物、纳米氧化物颗粒等，这些吸附材料对溶液中的金属离子有较好的吸附量，但是主要以颗粒或粉体的形式使用，吸附后还需要对其进行二次分离，并且这些吸附剂不适合大规模的水处理，将吸附材料成膜化后，可避免微纳米粒子吸附剂所带来的二次分离的弊端。纳米纤维膜由于其具有长径比和比表面积大、孔隙率高等优点，是离子吸附理想的模板材料，纳米纤维膜经过表面修饰后，还可实现对目标污染物以及特定重金属的特异性吸附。近年来，研究人员发现聚吡咯、聚苯胺具有重金属离子吸附性能，常将聚吡咯、聚苯胺固定于无机纳米颗粒上用于重金属离子的吸附，而将聚吡咯、聚苯胺固定于纳米纤膜上的研究较少。纳米纤维由于其诸多优点，近年来备受关注。纳米纤维的制备方法正朝着纤维多样化，设备简单化、高效化快速发展，主要包静电纺丝法、聚合法、相分离法等制备方法。静电纺丝法是目前制备纳米纤维的主要方法，但该方法主要是以溶液纺丝技术为主，因受溶液的限制，生产效率比较低，且设备采用高压静电，存在一定的危险性；聚合法目前只适用于实验室研究，少量制备纳米级别的短纤维，无法生产连续纤维；熔喷法和相分离法适用的聚合物材料非常有限。另外，热塑性高聚物为大宗的通用高分子材料，其中包括携带功能基团的多种热塑性高聚物，纳米纤维材料的高比表面积可以让功能基团暴露在纤维表面，且更容易实现纳米纤维的表面多功能化，所以很有必要研究和开发热塑性纳米纤维的制备方法，促进热塑性高聚物纳米纤维的规模化生产。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种具有重金属吸附功能的纳米纤维膜及其制备方法，本专利技术制备的热塑性高聚物纳米纤维膜工艺简单，成本低，避免了传统重金属离子吸附剂需二次分离的弊端，可高效吸附重金属离子，利用先吸附后还原的原理，实现对六价铬离子的有效去除，且大分子与亲水性纳米纤维膜之间存在很强的氢键作用，大分子不会从膜上脱落，可多次反复循环使用。本专利技术的一种具有重金属吸附功能的纳米纤维膜，所述纳米纤维膜包括基质及自组装在表面的大分子；其中基质为热塑性纳米纤维膜；表面的大分子携带氨基基团。所述热塑性纳米纤维膜为带有极性基团的热塑性高聚物制备的纳米纤维膜。所述热塑性高分子聚合物为聚烯烃-乙烯醇共聚物、聚烯烃-丙烯酸共聚物、聚烯烃-甲基丙烯酸共聚物、马来酸酐接枝聚烯烃、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚烯烃中的一种或几种。本专利技术的一种具有重金属吸附功能的纳米纤维膜的制备方法，包括：(1)热塑性高聚物经熔融共混相分离法制备得到热塑性纳米纤维；(2)将上述热塑性纳米纤维分散在溶剂中，形成纳米纤维悬浮液，然后通过疏水性非织造布，得到热塑性纳米纤维膜(纤维膜表面存在亲水性官能团)；(3)通过化学氧化聚合法在热塑性纳米纤维膜上自组装携带氨基基团的大分子：具体为：将上述热塑性纳米纤维膜浸置于氧化剂溶液中，再加入掺杂剂溶液，搅拌，然后滴加单体溶液，搅拌，取出处理后的纤维膜，清洗，干燥，即得具有重金属吸附功能的纳米纤维膜；其中氧化剂溶液、掺杂剂溶液、单体溶液的体积比为5-20:0-30:20-100。所述步骤(1)中热塑性纳米纤维的直径为20-300nm的非织造材料。所述步骤(2)中溶剂为乙醇；纳米纤维悬浮液的质量百分浓度为0.5～5％。所述步骤(2)中运用高压气流成型技术使纳米纤维悬浮液通过疏水性非织造布；疏水性非织造布为聚烯烃无纺布或聚酯无纺布。所述步骤(3)中氧化剂溶液的浓度为0.05mol/L～8mol/L；氧化剂为六水合氯化铁、过氧化氢、过硫酸铵、过氧化苯甲酰中的一种或几种；掺杂剂溶液的浓度为0mol/L～2mol/L，掺杂剂为十二烷基苯磺酸钠、十六烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或几种；单体溶液的浓度为0.05-0.4mol/L，单体为吡咯和/或苯胺。所述步骤(3)中热塑性纳米纤维膜浸置于氧化剂溶液中10-30min；加入掺杂剂溶液，搅拌30-60min；滴加单体溶液，搅拌2-6h；搅拌均为机械搅拌。所述步骤(3)中整个过程中温度为0-30℃；清洗为乙醇和水分别清洗3-6次；干燥温度为50-80℃。步骤(3)中吡咯、苯胺通过化学氧化反应自组装于热塑性纳米纤维的表面，并且成纳米颗粒状均匀分布。步骤(3)中氧化剂溶液、掺杂剂溶液的溶剂均为水；单体溶液的溶剂为乙醇。本专利技术利用熔融共混相分离法制备亲水性热塑性纳米纤维，经高压气流成型技术获得热塑性纳米纤维膜，并通过化学氧化聚合法在热塑性纳米纤维膜上自组装携带氨基的大分子。本专利技术利用亲水性热塑性纳米纤维膜比表面积大，表面含有可供改性的官能团，且部分官能团本身具有对重金属离子的吸附性能。本专利技术利用吡咯、苯胺作为小分子经化学氧化聚合通过氢键作用自组装于纳米纤维的表面，优选氧化剂六水合氯化铁、过氧化氢、过硫酸铵、过氧化苯甲酰及优选掺杂剂十二烷基苯磺酸钠、十六烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵，本专利技术制备的大分子-纳米纤维复合膜具有高效吸附重金属的特点，尤其是Cr(VI)离子，在水环境中操作简便，不会造成二次污染。并且该大分子-纳米纤维复合膜在吸附重金属离子后可用NaOH或HCl进行脱附，反复循环使用性高。有益效果本专利技术制备的热塑性高聚物纳米纤维膜工艺简单，成本低，避免了传统重金属离子吸附剂需二次分离的弊端，可高效吸附重金属离子，利用先吸附后还原的原理，实现对六价铬离子的有效去除，且大分子与亲水性纳米纤维膜之间存在很强的氢键作用，大分子不会从膜上脱落，可多次反复循环使用；本专利技术原料来源较为丰富，且使制备工艺灵活，制备时间短，可操作温度较低范围广，在常压下即可进行，安全无污染，适合大规模的工业化生产。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例175克乙烯-乙烯醇共聚物(PE-co-PVA)、425克乙酸丁酸纤维素(CAB)经熔融共混相分离法获得分散相在基体中呈纳米尺度分散的多组分共混纤维；双螺杆各区温度185-235℃；室温条件下通过索氏提取法采用丙酮作为溶剂溶解去除共混纤维中的CAB基体相成分，即获得PE-co-PVA纳米纤维材料，经扫描电镜观察微纳米纤维的直径范围为50～300nm。将PE-co-PVA纳米纤维剪切细化，以质量分数为0.5～5％分散到乙醇溶剂中，形成均匀的纳米纤维悬本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有重金属吸附功能的纳米纤维膜，其特征在于：所述纳米纤维膜包括基质及自组装在表面的大分子；其中基质为热塑性纳米纤维膜；表面的大分子携带氨基基团。

【技术特征摘要】
1.一种具有重金属吸附功能的纳米纤维膜，其特征在于：所述纳米纤维膜包括基质及自组装在表面的大分子；其中基质为热塑性纳米纤维膜；表面的大分子携带氨基基团；其中大分子为聚吡咯或聚苯胺；其中具有重金属吸附功能的纳米纤维膜由以下方法制备：(1)热塑性高聚物经熔融共混相分离法制备得到热塑性纳米纤维；(2)将上述热塑性纳米纤维分散在溶剂中，形成纳米纤维悬浮液，然后通过疏水性非织造布，得到热塑性纳米纤维膜；(3)将上述热塑性纳米纤维膜浸置于氧化剂溶液中，再加入掺杂剂溶液，搅拌，然后滴加单体溶液，搅拌，取出处理后的纤维膜，清洗，干燥，即得具有重金属吸附功能的纳米纤维膜；其中氧化剂溶液、掺杂剂溶液、单体溶液的体积比为5-20:0-30:20-100；其中单体为吡咯和/或苯胺。2.根据权利要求1所述的一种具有重金属吸附功能的纳米纤维膜，其特征在于：所述热塑性纳米纤维膜为带有极性基团的热塑性高聚物制备的纳米纤维膜。3.根据权利要求2所述的一种具有重金属吸附功能的纳米纤维膜，其特征在于：所述热塑性高分子聚合物为聚烯烃-乙烯醇共聚物、聚烯烃-丙烯酸共聚物、聚烯烃-甲基丙烯酸共聚物、马来酸酐接枝聚烯烃、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚烯烃中的一种或几种。4.一种如权利要求1-3任一所述的具有重金属吸附功能的纳米纤维膜的制备方法，包括：(1)热塑性高聚物经熔融共混相分离法制备得到热塑性纳米纤维；(2)将上述热塑性纳米纤维分散在溶剂中，形成纳米纤维悬浮液，然后通过疏水性非织造布，得到热塑性纳米纤维膜；(3)将上述热塑性纳米纤维膜浸置于氧化剂溶液中，再加入掺杂剂溶液，搅拌，然后滴加单体溶液，搅拌，取出处理后的纤维膜，清洗，干燥，即得具有重金...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐丹丹，肖茹，郑晓婷，晏珊，陆建伟，王华平，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31