一种磁性阳离子水凝胶基复合吸附材料的制备及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种去除水中无机阴离子污染物的磁性阳离子水凝胶基复合吸附材料的制备方法其应用。本发明专利技术的磁性阳离子水凝胶基复合吸附材料含有阳离子水凝胶、磁性物质和活性金属的不同形态；本发明专利技术的磁性阳离子水凝胶基复合吸附材料的制备方法包括将三甲基氯化铵和亚甲基双丙烯酰胺之间进行自由基共聚，同时加入磁性物质进行反应，然后进行不同形态的活性金属的原位负载，所合成的复合吸附材料具有高的表面正电荷和专属的吸附位，可以对水中的F

Preparation and application of magnetic cationic hydrogel based composite adsorption material

The invention relates to a preparation method of a magnetic cationic hydrogel base composite adsorption material for removing inorganic anion pollutants in water. Different forms of magnetic cationic hydrogel composite adsorption material of the invention comprising cationic hydrogels, magnetic material and active metal; preparation method of magnetic cationic hydrogel composite adsorption material of the invention includes the free radical copolymerization between three methyl ammonium chloride and methylene bisacrylamide, while adding magnetic material for reaction, and in situ load different forms of active metal, composite adsorption material synthesized with high surface charge and specific adsorption sites, can be in F

【技术实现步骤摘要】
一种磁性阳离子水凝胶基复合吸附材料的制备及其应用
本专利技术涉及复合材料与环境科学与
，尤其是涉及一种磁性阳离子水凝胶基复合吸附材料的制备及其应用。
技术介绍
随着社会经济的快速发展，进入水体的无机阴离子污染物种类和数量日益增多，主要有：磷酸根（PO43-）、锑酸盐（SbO3-）、砷酸盐（AsO3-）、硝酸根（NO3-）、氟化物(F-)等其大多来源于工/农业生产，如：采矿、冶金（制铝）、制药、皮革/橡胶/玻璃/化纤加工、印染、农药/化肥等。有的则主要来源于生活废水，如：洗涤剂、润湿剂、起泡剂、肥皂/药物/个人护理品的使用等。这些阴离子污染物对人体皮肤（铬）、肝脏（硒）、肠胃（硝酸盐）、等具有潜在或显著性毒性，通过生物链积累到一定浓度后便会对动植物产生危害或引起不同程度的水环境问题。例如：长期饮用氟浓度为3-6mg/L的水会引起氟骨病。氟长期积累于人体时能生成CaF2，造成骨质松脆，牙齿斑釉，韧带钙化等。长期在含锑环境下作业的人员会引发锑慢性中毒，表现为肺功能改变、慢性支气管炎、肺气肿、早期肺结核、胸膜粘连和尘肺病。此外，人体摄入过多的磷酸盐会使体内的钙无法充分吸收、利用，容易引起骨折、牙齿脱落和骨骼变形。而长期摄入含有大量硝酸盐的饮水、蔬菜、粮食等，会使人缺氧中毒，导致头昏、心悸、呕吐等症状。吸附法是去除无机阴离子污染水体经济高效的方法之一，具有灵活性和操作的便捷性，可适用于多种水质环境，其中，吸附剂是关键因素。近年来，针对水中阴离子的去除，研究较多的有活性炭类材料，金属氧化物及其复合物，生物基材料和离子交换树脂等。水凝胶材料作为一种新型的吸附剂已经引起行业的关注，其具有三维网络结构、高强度和韧性，在吸水后依然可以保持良好的形状；其中阳离子水凝胶可以通过发挥其静电吸附作用而达到对水中无机阴离子的去除。其主要由阳离子型单体构成，通过离子或共价型交联剂交联增殖，形成具有较高表面电荷的大分子水凝胶。其表面通常含有较多的阳离子活性基团，其中以胺基基团为主，在溶液中呈现较高的正电荷特性。专利技术专利（CN201410730897.3）公开了一种水凝胶复合材料的制备及在染料污水中应用，主要是通过自由基交联共聚法，将酸化凹凸棒(PS)于丙烯酰胺(AM)和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)共聚，制备出具有大量氨基和磺酸基的水凝胶吸附剂，上述基团增强了该吸附剂的比表面积和识别性能，从而可以工业或生活废水中的吸附孔雀石绿。专利技术专利（CN201510134734.3）公开了一种可见光再生的石墨烯基水凝胶吸附剂的制备方法，主要是在氧化石墨烯表面依次负载谷胱甘肽、银离子和磷酸根，从而制备出负载磷酸银的石墨烯基水凝胶吸附剂。该吸附对甲基橙染料的吸附能力得到提高，并可以循环使用。专利技术专利（CN201410300672.4）公开了一种重金属离子工业废水处理工艺及装置。其中涉及的吸附塔内的填料为水凝胶吸附材料，可以吸附废水中铅、镍、铬离子，并可以酸洗再生。在上述水凝胶材料研究中，更多的关注点在于水凝胶表面官能团的改性，如通过负载磺酸基，氨基等，或者负载离子态贵金属，如银离子等，增强对染料的吸附能力。一方面，表面活性官能团数量受限于吸附剂的比表面积、孔隙率等等，难以通过接枝共聚等大量获得，导致其对吸附效果的提升极其有限，另一方面贵金属改性的水凝胶类吸附剂，由于其较高的材料成本，大规模的推广应用受到限制。就水中阴离子污染物的去除而言，很多廉价活性金属离子及其水合氧化物表现出优异的吸附性能，如稀土元素镧、锆、铈对氟离子、磷酸根、硝酸盐的吸附，所涉及机理包括离子/配体交换、表面沉淀/络合等。其吸附特点在于活性金属与阴离子污染物之间的特征专属效应。目前看来，水凝胶吸附剂负载廉价的活性金属的专利技术尚未涉及，而且针对水中无机阴离子的去除方面应用专利技术也未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种磁性阳离子水凝胶基复合吸附材料的制备方法；本专利技术的目的之二是将上述磁性阳离子水凝胶基复合吸附材料用于含无机阴离子的饮用水、污废水或再生水的处理；本专利技术的目的之三提供磁性水凝胶基复合吸附材料吸附阴离子后的再生处理方法。本专利技术的技术方案：1、一种磁性阳离子水凝胶基复合吸附材料，其特征在于含有阳离子水凝胶、磁性物质和活性金属的不同形态，在磁性阳离子水凝胶上负载活性金属的不同形态。2、如权利要求1所述的磁性阳离子水凝胶基复合吸附材料，其特征在于，磁性物质和阳离子水凝胶是通过自由基聚合反应一次合成的，包括如下进行的步骤：(1)将(3-丙烯酰胺丙基)三甲基氯化铵(APTMACl)单体加入到水中，然后加入交联剂N，N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA),待其完全溶解后，再加少量纯水，阳离子单体与纯水比例约为10-500∶1，优选为：10-20：1，生成溶液A；(2)向溶液A中加入微量加速剂N，N，N'，N'-四甲基乙二胺(TEMED)和少量的磁性γ-Fe2O3进行均匀混合，然后加入引发剂饱和过硫酸钾(KPS)溶液，在10-100℃水浴中搅拌反应0-2h，其中阳离子单体、加速剂、磁性材料、引发剂比例为250-500：5-10：50-100：100-200，生成磁性阳离子水凝胶前驱物B；优选为：25：5：5：10；(3)将磁性阳离子水凝胶前驱物B进行熟化，生成磁性阳离子水凝胶，然后置换容器并浸没在纯水里10-100h，每2-10h换一次水，特别是换水间隔控制为6-8h，洗去未反应的单体、交联剂、引发剂和加速剂物质，然后将磁性阳离子水凝胶冷冻干燥研磨，制备为磁性阳离子水凝胶颗粒。3、如权利要求1所述的磁性阳离子水凝胶基复合吸附材料，其特征在于，活性金属的不同形态包括Sr、Zr、Fe中一种或多种金属的自由水合离子或La、Sr、Zr、Fe中一种或多种金属的水合氧化物。4、如权利要求3所述的活性金属的自由水合离子，其特征在于，活性金属自由水合离子的负载按照如下顺序的步骤进行：（1）将磁性阳离子水凝胶颗粒浸渍于饱和活性金属盐溶液中进行表面反应，投加量为0.1-5g/L，优选为2-4g/L，以100-300rpm的转速恒温连续搅拌，直到溶液中活性金属离子浓度稳定，静置，磁分离，滤干上清液，获得负载活性金属的自由水合离子的磁性阳离子水凝胶；（2）将所得后的负载活性金属的自由水合离子的磁性阳离子水凝胶用去离子水洗涤，直至洗涤出水的pH值为中性至弱碱性。5、如权利要求3所述的活性金属的水合氧化物，其特征在于，活性金属水合氧化物的负载按照如下顺序的步骤进行：（1）将磁性阳离子水凝胶颗粒浸渍在饱和的活性金属盐-有机溶剂混合溶液中进行表面反应，使其充分搅拌混合；滤干上清液，将滤出的沉淀加入NaOH溶液中，在50-100℃下进行水浴加热，分离出沉淀进行0-24h的去离子水洗涤；（2）将去离子水洗涤后的沉淀加入50-500mL的NaCl溶液中进行洗涤，直至洗涤出水的pH值为中性至弱碱性；最后用去离子水搅拌洗涤；将沉淀物质进行0-60℃的真空干燥和50-110℃的烘干，特别是，步骤1中所述活性金属盐-乙醇混合溶液浓度为0-200g/L，乙醇浓度为5-30wt%；特别是，步骤2中水浴加热时间为2-6h，洗涤所用去离子水与复合物质量比为1：50-100；特别是，步骤3中洗涤所用NaCl浓度为0.1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性阳离子水凝胶基复合吸附材料，其特征在于含有阳离子水凝胶、磁性物质和活性金属的不同形态，在磁性阳离子水凝胶上负载活性金属的不同形态。

【技术特征摘要】
1.一种磁性阳离子水凝胶基复合吸附材料，其特征在于含有阳离子水凝胶、磁性物质和活性金属的不同形态，在磁性阳离子水凝胶上负载活性金属的不同形态。2.如权利要求1所述的磁性阳离子水凝胶基复合吸附材料，其特征在于，磁性物质和阳离子水凝胶是通过自由基聚合反应一次合成的，包括如下进行的步骤：（1）将(3-丙烯酰胺丙基)三甲基氯化铵(APTMACl)单体加入到水中，然后加入交联剂N，N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA),待其完全溶解后，再加少量纯水，阳离子单体与纯水比例约为10-500∶1，生成溶液A；（2）向溶液A中加入微量加速剂N，N，N'，N'-四甲基乙二胺(TEMED)和少量的磁性γ-Fe2O3进行均匀混合，然后加入引发剂饱和过硫酸钾(KPS)溶液，在10-100℃水浴中搅拌反应0-2h，其中阳离子单体、加速剂、磁性材料、引发剂比例为250-500：5-10：50-100：100-200，生成磁性阳离子水凝胶前驱物B；（3）将磁性阳离子水凝胶前驱物B进行熟化，生成磁性阳离子水凝胶，然后置换容器并浸没在纯水里10-100h，每2-10h换一次水，洗去未反应的单体、交联剂、引发剂和加速剂物质，然后将磁性阳离子水凝胶冷冻干燥研磨，制备为磁性阳离子水凝胶颗粒。3.如权利要求1所述的磁性阳离子水凝胶基复合吸附材料，其特征在于，活性金属的不同形态包括Sr、Zr、Fe中一种或多种金属的自由水合离子或La、Sr、Zr、Fe中一种或多种金属的水合氧化物。4.如权利要求3所述的活性金属的自由水合离子，其特征在于，活性金属自由水合离子的负载按照如下顺序的步骤进行：（1）将磁性阳离子水凝胶颗粒浸渍于饱和活性金属盐溶液中进行表面反应，恒温连续搅拌，直到溶液中活性金属离子浓度稳定，静置，磁分离，滤干上清液，获得负载活性金属的自...

【专利技术属性】
技术研发人员：王毅力，董硕勋，赵怡雯，
申请(专利权)人：北京林业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11