一种多孔凝胶吸附剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种由剥离的蒙脱石纳米片和壳聚糖组成的三维多孔凝胶吸附剂，其中壳聚糖的占比为5‑50wt％。该三维多孔凝胶吸附剂由蒙脱石分散在水中经反复离心后超声剥离，再次离心得到剥离的蒙脱石纳米片溶液，将其与壳聚糖的醋酸溶液混合，在80～100℃条件下养护20～30h即得。本发明专利技术解决了蒙脱石作为吸附剂时固液分离困难的问题，所制得的蒙脱石多孔凝胶吸附剂具有更多的吸附点位和比表面积，吸附效果优异，实验发现其对水中重金属离子及有机物大分子都有很好的去除效果。

A porous gel adsorbent and its preparation method

The invention discloses a three-dimensional porous gel composed of exfoliated montmorillonite nanometer chitosan film and chitosan adsorbent, which accounted for 5 50wt%. The three dimensional porous gel adsorbent was separated from montmorillonite in water and centrifuged. After ultrasonic peeling, centrifugation and centrifugation were used to get the solution of the montmorillonite nanoscale. It was mixed with chitosan acetic acid solution and maintained at 20 30h for 80~100 degrees. The invention solves the montmorillonite as adsorbent for solid-liquid separation difficult problem, the porous montmorillonite gel adsorbent had more adsorption and specific surface area, adsorption effect is excellent, the experiment found that there is a very good removal effect of heavy metal ions and organic molecules.

【技术实现步骤摘要】
一种多孔凝胶吸附剂及其制备方法
本专利技术涉及多孔材料
，具体涉及一种多孔凝胶吸附剂及其制备方法。
技术介绍
蒙脱石自然资源丰富，经济成本低，吸附效果好，是一种较理想的吸附剂，被广泛应用于水中污染物的去除，但其天然粒度<2μm，常以微细粉末的形式存在。当其作为吸附剂置于水中时，水分子可以进入层间，引起晶格膨胀，使蒙脱石在水中分散并保持稳定的悬浮状，造成固液分离十分困难，严重影响蒙脱石吸附剂的使用。在工业应用时，通常对其进行造粒处理，以便于后续固液分离。为保证颗粒的强度，减少耗损率，造粒时一般加入粘结剂并进行焙烧，这使得颗粒中的蒙脱石在水中难以发生膨胀。但是，未水化膨胀的蒙脱石片层间距较小，一般为0.25～0.5nm。在公开论文(M.Dai,L.Xia,S.Song,C.Peng,A.Lopez-Valdivieso,AdsorptionofAs(V)insidetheporesofporoushematiteinwater,J.Hazard.Mater.307(2016)312–317.)中，Dai等人的研究表明，在吸附过程中，吸附质优先在外表面和孔口吸附，且易在孔口发生堵塞，使得吸附剂的有效比表面积显著降低。蒙脱石作为吸附剂使用时，对于直径较大的吸附质，即使通过柱撑改性将其片层间距增大到1～4nm，吸附质也容易在孔口堵塞；而对于直径较小的吸附质，即使在孔口不发生吸附堵塞，也会抑制其余吸附质向孔内部迁移，致使蒙脱石层间丰富的吸附位点未能得到充分利用，显著降低了其吸附性能。当前，蒙脱石吸附剂很难实现既固液分离简单又完全释放吸附位点。蒙脱石片层主要通过微弱的范德华力结合。当蒙脱石浸入水中，水分子进入层间将蒙脱石片层撑开，进一步减弱蒙脱石片层之间的引力作用。在超声波场或机械剪切力场下可能会将撑开的蒙脱石剥离成单层或者几个单层结构的二维纳米片。在公开论文(Y.Zhao,H.Yi,F.Jia,H.Li,C.Peng,S.Song,Anovelmethodfordeterminingthethicknessofhydrationshellsonnanosheets:Acaseofmontmorilloniteinwater,PowderTechnol.306(2016)74–79.)中，Zhao等人通过原子力显微镜(AFM)测量发现，超声波和高强度机械剪切作用可将水中蒙脱石剥离成1nm厚的单片层。剥离成二维纳米片的蒙脱石，比表面积显著增加，吸附位点也完全释放。凝胶是另一条解决蒙脱石固液分离困难的途径。通常，蒙脱石凝胶是通过有机药剂原位插层、半剥离、诱导及聚合制备而成。在公开论文(K.Haraguchi,T.Takehisa,Nanocompositehydrogels:Auniqueorganic-inorganicnetworkstructurewithextraordinarymechanical,optical,andswelling/De-swellingproperties,Adv.Mater.14(2002)1120–1124.)中，Haraguchi等人利用原位聚合专利技术了纳米粘土/有机复合水凝胶，可显著提高凝胶的强度；在公开论文(S.Ortaboy,E.T.Acar,G.Atun,S.Emik,T.B.Iyim,G.S.Performanceofacrylicmonomerbasedterpolymer/montmorillonitenanocompositehydrogelsforU(VI)removalfromaqueoussolutions,Chem.Eng.Res.Des.91(2013)670–680.)中，Ortaboy等人利用原位插层聚合法制备了三元共聚物/蒙脱石凝胶，用于水中U(VI)离子的去除。然而，目前凝胶的制备过程复杂且涉及大量有机药剂，成本高昂。另外，由于蒙脱石是通过插层进行剥离，致使蒙脱石不能够充分剥离，有效吸附位点得不到充分利用。本专利技术基于超声剥离蒙脱石，显著增大其比表面积，充分暴露吸附位点的特性，提升其吸附效果，并通过蒙脱石/壳聚糖自组装将微细粒蒙脱石制备成三维多孔凝胶，简化凝胶制备过程，降低生产成本，并且保留了剥离的蒙脱石的吸附位点，同时解决蒙脱石作为吸附剂时固液分离困难的难题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有蒙脱石吸附剂固液分离困难，以及由于吸附位点没有充分释放导致的吸附效果性能不佳等问题，提供一种多孔凝胶吸附剂及其制备方法。该方法通过超声将蒙脱石剥离成纳米片，再与壳聚糖自组装得到三维多孔凝胶，上述过程显著增大了蒙脱土的比表面积，提升了其作为吸附剂的吸附效果，并且固液分离困难的问题不复存在。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种多孔凝胶吸附剂，其成分包括蒙脱石纳米片和壳聚糖。上述方案中，所述多孔凝胶吸附剂中蒙脱石纳米片的含量为50-95wt％，余量为壳聚糖。所述多孔凝胶吸附剂的制备方法，包括以下步骤：(a)将蒙脱石分散在水中，经多次离心分离后将得到的沉淀物再次分散在水中，超声剥离后再次离心，去除沉淀得到剥离的蒙脱石纳米片溶液；(b)将壳聚糖的冰醋酸溶液滴加到剥离的蒙脱石纳米片溶液中，养护得到多孔凝胶。按照上述方案，步骤(a)中将蒙脱石以2-10wt％的比例分散到水中，以200-800r/min的转速搅拌2-8h，得到均一的蒙脱石悬浮液。按照上述方案，蒙脱石分散在水中所得悬浮液首先在100-300×g条件下离心1-3min去除底部沉淀，接着在8000-12000×g条件下离心3-6min得到沉淀物，将沉淀物以5-10wt％的比例再次分散到水中。按照上述方案，利用超声破碎仪在200-400W强度下对蒙脱土悬浮液超声剥离4-10min，然后在15000-20000×g条件下再次离心5-10min，去除沉淀得到质量分数为4-5％的剥离的蒙脱石纳米片溶液。按照上述方案，所述壳聚糖的冰醋酸溶液中壳聚糖的浓度为5-15g/L，配制时所使用的冰醋酸水溶液浓度为1.5-3.5wt％。按照上述方案，壳聚糖的冰醋酸溶液与剥离的蒙脱石纳米片溶液按照蒙脱石/壳聚糖1-20:1的质量比进行混合，接着在80-100℃下养护20-30h。按照上述方案，所述蒙脱石选自钠基蒙脱石、钙基蒙脱石或其他金属蒙脱石中的一种，蒙脱石含量在80％以上。由于蒙脱石及层间金属离子在水溶液环境中易于水化，可增大层间距，利于剥离，因此所得剥离的蒙脱石纳米片溶液中以单层及双层蒙脱石为主，两者总含量在65％以上。这说明剥离效果比较理想，而剥离的越好，比表面积就越大，越多的吸附位点被暴露出来，最终能显著提高其吸附性能。按照上述方案，配制壳聚糖的冰醋酸溶液时所使用的壳聚糖脱酰度在85％以上。这是由于壳聚糖链上的酰基(酸性条件下为-NH3+)会与蒙脱石纳米片边缘的羟基(-OH)形成氢键(–OH···+NH3–)从而自组装形成凝胶，而氢键的数量越多形成的凝胶结构也就越紧实，而紧实的结构不利于吸附的进行。因此，为获得疏松结构的凝胶吸附剂，应将壳聚糖中大部分的酰基脱去。与现有技术相比，本专利技术具有以下诸多有益效果：(1)通过超声将蒙脱石剥离成纳米片，显著增大其比表面，暴露出更多的吸附位点，提升其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔凝胶吸附剂，其特征在于，该多孔凝胶吸附剂的成分包括蒙脱石纳米片和壳聚糖。

【技术特征摘要】
1.一种多孔凝胶吸附剂，其特征在于，该多孔凝胶吸附剂的成分包括蒙脱石纳米片和壳聚糖。2.根据权利要求1所述的一种多孔凝胶吸附剂，其特征在于：所述多孔凝胶吸附剂中蒙脱石纳米片的含量为50-95wt％，余量为壳聚糖。3.权利要求1所述多孔凝胶吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)将蒙脱石分散在水中，经多次离心分离后将得到的沉淀物再次分散在水中，超声剥离后再次离心，去除沉淀，得到剥离的蒙脱石纳米片溶液；(b)将壳聚糖的冰醋酸溶液滴加到剥离的蒙脱石纳米片溶液中，养护得到多孔凝胶。4.根据权利要求3所述的多孔凝胶吸附剂的制备方法，其特征在于：步骤(a)中将蒙脱石以2-10wt％的比例分散到水中，以200-800r/min的转速搅拌2-8h，得到均一的蒙脱石悬浮液。5.根据权利要求3所述的多孔凝胶吸附剂的制备方法，其特征在于：蒙脱石分散在水中所得悬浮液首先在100-300×g条件下离心1-3min去除底部沉淀，接着在8000-12000×g条件下离心3-6min得到沉淀物，将沉淀物以5-10wt％的比例再次分散到水中。6.根据权利要求3...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵云良，王伟，宋少先，易浩，陈天星，康石长，陈鹏，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42