一种再生细菌纤维素复合气凝胶吸附材料的制备及应用制造技术

本发明专利技术公开了一种再生细菌纤维素复合气凝胶吸附材料的制备方法，是在氢氧化钠、尿素绿色溶剂中，以细菌纤维素/聚乙烯醇为骨架材料，通过复合填料氧化石墨烯和凹凸棒土，采用冻融循环的方法制备再生细菌纤维素复合气凝胶吸附材料。该吸附材料制备成本低，具有较好的酸碱稳定性和热稳定性，对刚果红、亚甲基蓝染料及Cu

【技术实现步骤摘要】
一种再生细菌纤维素复合气凝胶吸附材料的制备及应用


[0001]本专利技术属于环境工程材料领域，具体涉及一种再生细菌纤维素复合气凝胶吸附材料的制备方法，本专利技术同时还涉及该复合气凝胶吸附材料在吸附染料和重金属离子中的应用。

技术介绍

[0002]随着人类社会的发展，工业废水的排放日益增加，严重威胁对人类健康和水生态系统安全。人体中Cu(II)和Pb(II)等金属的过度富集，会导致心血管，神经系统和免疫系统和不同器官及疾病的严重损害。吸附法操作简单，成本低，金属离子和残料等去除率高，被认为是最具成本效益的处理方法之一。
[0003]常用的吸附材料有活性炭、天然矿物、树脂、天然橡胶、聚合物、工农业废弃物、金属氧化物纳米材料等。壳聚糖、纤维素等各种可再生、可生物降解和生物相容性材料的生物质吸附剂也因为其高纯度、独特的三维（3D）交联网络和高比表面积、降解后不会造成二次污染等特点被用作吸附材料。然而直接用纤维素作吸附剂，吸附量小，选择性低。为了提高纤维素的吸附能力，需对其进行改性或复合。聚乙烯醇（PVA）具有很强的亲水性和良好的生物相容性，可与纤维素通过冻融循环形成高强度水凝胶。然而，目前细菌纤维素与聚乙烯醇复合材料对重金属离子的吸附作用还未见报道。
[0004]氧化石墨烯（graphene oxide，GO）和凹凸棒土（APT）具有较高的比表面积，可高效捕集染料、重金属离子等多种污染物，近年来受到广泛关注。GO与ATP复合作为水凝胶填料的研究重金属离子或染料吸附的研究尚未见报道。

技术实现思路
/>[0005]本专利技术的目的是提供一种再生细菌纤维素复合气凝胶吸附材料的制备方法；本专利技术另一个目的是提供该再生细菌纤维素复合气凝胶吸附材料在吸附染料中的应用；本专利技术还有一个目的是提供该再生细菌纤维素复合气凝胶吸附材料在吸附重金属离子中的应用。
[0006]一、复合气凝胶吸附材料的制备本专利技术本专利技术充分利用细菌纤维素水凝胶疏松多孔、环境友好和在废水处理中的潜在应用前景，用氢氧化钠/尿素绿色溶剂体系溶解细菌纤维素和聚乙烯醇，以比表面积大的石墨烯氧化物、凹凸棒石为填料增强复合物的吸附性能，采用反复冻融法制备了一种再生细菌纤维素/聚乙烯醇/石墨烯氧化物/凹凸棒石(BC/PVA/GO/APT)复合气凝胶吸附材料，具体包括以下制备步骤：（1）将细菌纤维素粉末加入NaOH、尿素和H2O混合溶液中，
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20℃下预冷30~60min，2000~3000r/min下搅拌10~30min，得到透明的细菌纤维素溶液。其中，细菌纤维素粉末与NaOH、尿素和H2O混合溶液的质量比为1:20~1:50；NaOH、尿素和H2O混合溶液中，NaOH、尿
素和H2O的质量比为1:1.2:10~1:2:15。
[0007]其中细菌纤维素粉末的制备方法如下：将葡萄糖醋酸杆菌接种至灭菌的HS培养基中，调节pH至5.2~6.8，于26~30℃条件下，静置发酵7~12天；将得到的上层细菌纤维素薄膜取出，置于0.1 mol/L NaOH溶液中，于65~85℃下处理40~60min，除去残留的培养基、菌体后，将细菌纤维素薄膜从NaOH中取出，用蒸馏水反复洗涤至pH = 7.0，冷冻干燥，机械粉碎，过200目筛，得到细菌纤维素粉末。
[0008]（2）将聚乙烯醇加入上述细菌纤维素溶液，搅拌使其充分溶解后，加入氧化石墨烯和凹凸棒土分散均匀，超声除去气泡后，将混合液倒入12孔培养板，反复冻融，形成柱状复合水凝胶，将水凝胶用蒸馏水洗涤至pH=7.0，冷冻干燥，得到再生细菌纤维素复合气凝胶吸附材料BC/PVA/GO/ATP。其中，聚乙烯醇与细菌纤维素粉末的质量比为3:1~1:1；氧化石墨烯与细菌纤维素粉末的质量比为1:20 ~1: 40；凹凸棒土与细菌纤维素粉末的质量比为1:1~1:2；超声波功率为100~200W，超声时间为15~30min；反复冻融首先是在
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15～
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30℃下保持12~24h，然后再室温下保持3~6 h，如此反复循环3~5次；冷冻干燥温度为
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50~
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65℃，真空度为1~10Pa，抽真空时间为48~60 h。
[0009]二、复合气凝胶吸附材料的结构1、SEM分析采用 SEM 表征样品的微观形态，图 1（A）显示的是纯 BC 的微观形貌，明显观察到 BC 的纤维网络 结构及其所形成的不均匀孔。由于是静置发酵培养的，故纤维的走向混乱。图 1（B）显示的是 BC 在溶解再生后与 PVA 结合后BC/PVA复合材料的微观形态。SEM 图片显示，溶解再生后 BC 的纤维网络结构发生变化，与 PVA 交织形成不均匀蜂窝状的孔。图 1（C）和图 1（D）为引入 GO 和不同 APT 含量后的 SEM 图片，明显观察到二维的 GO 和一维的 APT 与三维的 BC 纤维交织穿插形成不均匀的稠密网孔和裂缝，纤维的结构改变，并且吸附材料表面变得更粗糙。仔细观察复合材料中GO和 APT 含量的增加，吸附材料的孔结构更多以锯齿形和楔形结构存在，表面结构变得越不规整。
[0010]2、EDS分析图2为BC/PVA（A）与BC/PVA/GO/ATP（B）的EDS谱图。BC/PVA复合材料由C、O两种元素组成，BC/PVA/GO/ATP复合吸附材料中出现Mg、Al、Si、Fe四种新的元素，且C元素和O元素的含量降低，说明GO和ATP成功复合到BC/PVA材料中。
[0011]3、比表面积分析图3为复合材料BC/PVA和不同GO和ATP含量的BC/PVA/GO/ATP的N2吸附
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脱附曲线，其中插图为孔径分布曲线。所有材料都表现出H3型迟滞回线的典型II型等温线，反映吸附剂表面的孔以平板狭缝结构、裂缝和楔形结构存在，并且孔状结构很不规整。这与SEM图片的描述结果一致。与BC/PVA复合材料相比，引入GO和APT后复合材料BC/PVA/GO/ATP的比表面积减小，随着GO和APT含量的增加，复合材料的比表面积进一步迅速减小，这表明二维的GO和一维的APT充分分散到BC的3D结构中，内部的大孔被填充形成小孔，导致孔径和孔容减小，比表面积减小，增加了其活性位点和驱动力，吸附能力增强。
[0012]4、TG
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DSC分析图 4（A）和（B）分别为BC/PVA和BC/PVA/GO/ATP的TG
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DSC曲线。从图中可以看出，TG曲线显示BC/PVA和BC/PVA/GO/ATP的热解可分为三个阶段。低于100℃的重量损失，主要是
水分的蒸发，归因于样品中游离水、物理吸附水和结合水的蒸发。250~375℃的热解段是主要重量损失阶段，产生了83.19%的重量损失，这归因于 BC和PVA碳化分解为CO和CO2，其中也包括纤维素长链结构的破坏、纤维素骨架上葡萄糖单元的脱水裂解等。此外，发生在这一阶段后期的热解有糖苷键、C
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O 键和 C
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C 键。375~本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种再生细菌纤维素复合气凝胶吸附材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将细菌纤维素粉末加入NaOH、尿素和H2O混合溶液中，
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12~
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20℃下预冷30~60min，搅拌10~30min，得到透明的细菌纤维素溶液；（2）将聚乙烯醇加入上述细菌纤维素溶液，搅拌使其充分溶解后，加入氧化石墨烯和凹凸棒土分散均匀，超声除去气泡后，将混合液倒入12孔培养板，反复冻融，形成柱状复合水凝胶，将水凝胶用蒸馏水洗涤至pH=7.0，冷冻干燥，得到再生细菌纤维素复合气凝胶吸附材料BC/PVA/GO/ATP。2.根据权利要求1所述一种再生细菌纤维素复合气凝胶吸附材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，细菌纤维素粉末的制备方法如下：将葡萄糖醋酸杆菌接种至灭菌的HS培养基中，调节pH至5.2~6.8，于26~30℃条件下，静置发酵7~12天；将得到的上层细菌纤维素薄膜取出，置于0.1 mol/L NaOH溶液中，于65~85℃下处理40~60min，除去残留的培养基、菌体后，将细菌纤维素薄膜从NaOH中取出，用蒸馏水反复洗涤至pH = 7.0，冷冻干燥，机械粉碎，过200目筛，得到细菌纤维素粉末。3.根据权利要求1所述一种再生细菌纤维素复合气凝胶吸附材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，细菌纤维素粉末与NaOH、尿素和H2O混合溶液的质量比为1:20~1:50；NaOH、尿素和H2O混合溶液中，NaOH、尿素和H2O的质量比为1:1.2:10~1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张继，宋珅，焦彩珍，刘小媛，丁玲，黄玉龙，杨生荣，范增杰，
申请(专利权)人：西北师范大学，
类型：发明
国别省市：