一种秸秆全组分水凝胶的制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供一种秸秆全组分水凝胶的制备方法及其应用，属于高分子物质应用的技术领域。本发明专利技术的秸秆全组分水凝胶的制备方法如下：首先将秸秆制成含有纤维素、半纤维素和木质素的水溶液；然后以K2S2O8-Na2SO3体系为引发剂，夺取纤维素、半纤维素和木质素链上羟基中的氢原子，而产生的自由基作为活性位点，同时将丙烯酸接枝到这些链上；然后再加入交联剂使水凝胶具有三维结构。本发明专利技术的秸秆全组分水凝胶的制备方法，工艺简单，条件容易控制，成本低。由上述方法制备得到的水凝胶对铜离子具有高吸附性能，在一定温度下解吸能力良好，同时具有良好的可重复性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供一种秸秆全组分水凝胶的制备方法及其应用，特别是涉及秸秆水凝胶对铜离子的吸附；属于高分子制备方法与应用的

技术介绍
随着化石资源的枯竭和人类对环境问题的关注，将生物质资源转化成绿色能源，同时将生物材料制备成化学品已成为国内外学者不断探索的目标和重点。植物纤维是来源丰富且廉价的可再生资源，我国每年仅小麦秸秆的产量就有600万吨。然而，大部分的小麦秸秆非但没有得到合理利用，反而造成了环境污。小麦秸秆含有纤维素(36.5%-38.6%)、半纤维素(38.0%-38.8%)、木质素(12.3%-17.6%)，上述三种物质均有良好的生物相容性和生物降解性。水凝胶作为一种极具吸附潜力的生物材料而受到广泛关注。水凝胶可以保持大量水或生物液体而不被溶解的亲水性聚合物。水凝胶在高分子链、交联剂的作用下，通过物理交联或化学交联形成一个三维的交联网络而具有一定的流体性质。水凝胶根据交联的方式可分为化学水凝胶和物理水凝胶；其中化学交联凝胶是通过热、引发剂、光和射线等能量形成的由共价键构成的交联结构；而凝胶的物理交联是通过分子间作用力如氢键、范德华力形成的高分子或天然高分子基水凝胶。水凝胶作为一种迅速发展的功能高分子材料，可应用于药物缓释、酶的固定化、物质的分离提纯以及环保工业等多种领域。近年来利用天然物质如葡聚糖、海藻酸盐、淀粉或壳聚糖等为原料制备水凝胶已成为国内外研究的热点。本专利技术以小麦秸秆为原料制备水凝胶，并测试复合凝胶对水溶液中铜离子的吸附性能。由于纤维素、半纤维素和木质素的结构不同，其对水凝胶的改善效果也不尽相同。当纤维素分子之间的相互作用比较强，在水凝胶中引入纤维素可以显著提高水凝胶的力学性能；而半纤维素分子结构含有大量活性羟基官能团，对其进行衍生化后，可以与其他聚合物交联形成水凝胶；木质素不仅可以提高水凝胶的强度，而且木质素含有酚羟基和羧基等基团，具有一定的螯合性，故可以提高凝胶的吸附性能。本专利技术采用过氧化氢法将小麦秸秆制成含有纤维素、半纤维素和木质素的水溶液，直接制备秸秆全组分的复合水凝胶。其制备方法具有原料可再生、产品可降解、易分离等优点，并通过高效利用生物炼制副产物而降低能源或者生产成本。这种水凝胶对环境的刺激，如温度、酸度等变化引起的微小刺激能产生不同程度的响应，故其在生物工程、药物载体、废水处理、组织工程、化学存储器等方面具有很好的应用前景。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种生产成本低、环境友好、生物相容性好的秸秆水凝胶的制备方法。为实现上述技术目的其主要是通过以下技术方案加以实现的：一种秸秆全组分水凝胶的制备方法，首先将秸秆制成含有纤维素、半纤维素和木质素的水溶液；然后以K2S2O8-Na2SO3体系为引发剂，夺取纤维素、半纤维素和木质素链上的羟基中的氢原子，而产生的自由基作为活性位点，同时将丙烯酸接枝到这些链上；然后在加入交联剂使最后的得到的水凝胶具有三维结构。具体地，在反应过程加入的交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺具有两个双键结构，而作为反应单体的丙烯酸能够自身共聚或者与交联剂聚合，使得最后制备得到的水凝胶具有三维网络结构。进一步地，上述制备秸秆水凝胶的具体步骤如下：步骤1：制备秸秆全组分水溶液；以小麦秸秆粉末与蒸馏水的质量比为1︰15~1︰25计，将小麦秸秆粉末溶解于蒸馏水中，然后加入双氧水和氢氧化钠，在55~75°C条件下反应20~24h。具体地，上述双氧水的质量分数为30%，双氧水体积加入量为蒸馏水的3%，上述氢氧化钠加入质量为蒸馏水质量的1.5~2.5%。步骤2：将步骤1反应所得溶液在650w下超声25~40min，其中调节溶液使其pH为8得到秸秆全组分水溶液。具体地，将上述步骤1所得溶液用超声波细胞粉碎机在650w的功率下超声。步骤3：量取10~25mL步骤2所得秸秆全组分水溶液，并使其在55~75°C的水浴中充分搅拌，均按照固液比1︰400~1︰600加入过硫酸铵和无水亚硫酸钠快速搅拌并引发反应4~6min，然后按秸秆全组分水溶液体积比的13.3~15%加入丙烯酸，按照固液比为1︰400~1︰600加入N,N-亚甲基双丙烯酰胺，并充分搅拌使其混合均匀。步骤4：待步骤3中反应体系逐渐变粘稠直至无法搅动后，静置4~6h使其充分反应，然后将其取出切成大小均匀的长方体，并在蒸馏水中浸泡48~50h，每隔1~2小时换水以除去未反应的单体。最后，将水凝胶放入烘箱中干燥24~36h，得到干燥的凝胶。本专利技术的第二个技术目的是提供上述制备方法得到的凝胶对铜离子的吸附。该凝胶对铜离子的吸附性能实验如下:将浓度为300~500mg/L的铜离子标准溶液(2ml)和EDTA溶液(2ml)(2~4%，m/v)加入到10mL的比色管中，然后加入DDTC(二乙基二硫代氨基甲酸酯)溶液(1ml)(2~4%，m/v)，用去离子水稀释至10mL；静置5~10min后，以蒸馏水作为参比溶液测定其在450nm处的吸光度值。其中以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标绘制标准工作曲线。将20~30mg的干凝胶浸泡在100mL已知浓度(300~500mmol/L)的铜离子溶液中，20~50℃下浸泡36~48h，达到吸附平衡后，用上述实验操作测量剩余铜离子溶液在450nm处的吸收值，再根据标准曲线回归方程计算其吸附后的浓度。根据吸附前后铜离子的浓度，计算复合水凝胶对铜离子的吸附量。复合水凝胶的单位吸附量q(mmol/g)按下式(1-1)(1-1)其中Co(mg/L)和Ce(mg/L)分别是铜离子的初始浓度和平衡溶度；V(L)是铜离子溶液的体积；m(g)是复合水凝胶的质量。随着吸附时间的改变，凝胶对铜离子的吸附逐渐增多，当时间为14小时后，其吸附量基本保持不变并有下降的趋势，在14小时左右吸附量达1.0mmol/g。此外，当吸附温度变化，凝胶对铜离子的吸附有变化，在303K~323K的温度内，温度越高凝胶对铜离子的吸附越好。水凝胶对铜离子的解吸附实验：在20~50℃下，将吸附铜离子后的水凝胶放置到100ml氯化钠溶液(0.2~1mol/L)中，并搅拌24~36h。复合水凝胶的解析率(Ds)按下式(1-2)进行计算：(1-2)其中Co(mmol/L)和Ce(mmol/L)分别是铜离子的初始浓度和平衡溶度；Cd(mmol/L)是铜离子在氯化钠溶液中的平衡溶度。通过解吸附试验凝胶对铜离子的解吸附能力达到0.8~0.9则说明凝胶有良好的解吸附性能，即重用性。吸附实验目的在于研究不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种秸秆全组分水凝胶的制备方法，首先将秸秆制成含有纤维素、半纤维素和木质素的水溶液；然后以K2S2O8‑Na2SO3体系为引发剂，夺取纤维素、半纤维素和木质素链上羟基中的氢原子，而产生的自由基作为活性位点，同时将丙烯酸接枝到这些链上；然后再加入交联剂使最后制备得到的水凝胶具有三维结构。

【技术特征摘要】
1.一种秸秆全组分水凝胶的制备方法，首先将秸秆制成含有纤维素、半纤维素和木质
素的水溶液；然后以K2S2O8-Na2SO3体系为引发剂，夺取纤维素、半纤维素和木质素链上羟基
中的氢原子，而产生的自由基作为活性位点，同时将丙烯酸接枝到这些链上；然后再加入交
联剂使最后制备得到的水凝胶具有三维结构。
2.根据权利要求1所述的秸秆全组份水凝胶的制备方法，其特征在于：所述交联剂为N,
N-亚甲基双丙烯酰胺。
3.根据权利要求1所述的秸秆全组份水凝胶的制备方法，其特征在于：其具体步骤如
下：
步骤1：以小麦秸秆粉末与蒸馏水的质量比为1︰15~1︰25计，将小麦秸秆粉末溶解于蒸
馏水中，然后加入双氧水和氢氧化钠，在55~75℃下反应20~24h；
步骤2：将步骤1反应所得溶液在650w条件下超声25~40min得到秸秆水溶液，其中溶
液的pH为8；
步骤3：量取10~25mL步骤2所得的秸秆全组分水溶液，在55~75℃的水浴中充分搅拌，均
按固液比1︰400~1︰600加入过硫酸铵和无水亚硫酸钠快速搅拌并引...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙晓锋，王亚雄，刘柏辰，冯阳，史咲頔，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61