一种聚合物诱导重金属高效稳定固定纳米材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种聚合物诱导重金属高效稳定固定纳米材料及其制备方法和应用，该方法包括以下步骤：(1)磷酸钙的合成：将钙盐溶液和磷酸盐溶液在缓冲液中混合，得到混合液，以形成PILP过程中的磷酸钙；(2)将聚合物和胶原蛋白加入到混合液中，并调节混合液pH＝6.0‑8.0；(3)产物矿化：将混合液在生理条件下矿化，得到羟基磷灰石，即重金属高效稳定固定纳米材料，该复合材料应用于去除水体中重金属。与现有技术相比，本发明专利技术具有能通过限域效应实现污染物的高效吸附，又可在结构有序化过程中，将吸附于PILP相表面的重金属高效“封装”，有效降低二次污染风险等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种聚合物诱导重金属高效稳定固定纳米材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及环境污染治理领域，具体涉及一种聚合物诱导重金属高效稳定固定纳米材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着工业发展和城市化进程的加快，大量污染物排入环境，造成地表水体污染，其中重金属污染尤为严重。重金属具有高毒性、难降解、易累积等性质，进入环境易通过食物链在人体内累积，危害人体健康。因此，重金属废水高效稳定处理可将潜在的生态风险降到最低。目前，处理重金属污染物的主要方法有电动力学修复、化学沉淀法、生物法、吸附法等。其中，吸附法因具备操作廉价、简单、高效等特点是目前研究较多且较实用的方法。生物炭、膨润土、沸石等吸附材料也被用于重金属的去除，但在pH值、共存离子等溶液和界面物理化学条件变化的情况下，吸附的重金属容易脱附，存在二次污染的风险是重金属吸附去除的难点。此外，如何从基础材料物理和化学角度，基于材料自身的物理化学特性，利用材料合成过程调控，开发高效稳定固化重金属的方法尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能通过限域效应实现污染物的高效吸附，又可在结构有序化过程中，将吸附于PILP相表面的重金属高效“封装”，有效降低二次污染风险的聚合物诱导重金属高效稳定固定纳米材料及其制备方法和应用。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：专利技术人了解到，在碳酸钙结晶的系列研究中观察到了“类液态”中间相的存在，并提出了聚合物诱导的液体前驱体(PILP)过程。研究发现在碳酸钙形成过程中体系添加带电聚合物如聚天冬氨酸等可螯合和浓缩溶液中的Ca2+，稳定非平衡中间相，形成PILP相。PILP相是由互有界面30-50nm的液体颗粒聚集体组成，且聚集体内又包含了大量尺寸约为2nm的团簇。此外，PILP相的水化程度高且具有流化性，其在毛细作用下进入胶原纤维的缝隙和沟槽中，经固化后可得到沿着胶原纤维长轴排列的碳酸钙。从污染物治理的角度出发，基于PILP过程及其诱导生成的材料具有弱结晶、大比表面积、高反应活性等特性，具有成为高效稳定固定重金属的可控过程并精准控制合成一类理想吸附剂的潜力。同样重要的是，基于生成的PILP相自发有序的倾向性，会将污染物带入自发形成的高结晶度物相中。利用这个特殊性质和过程，本专利技术首次提出利用PILP过程，策略性地实现高效固定污染物。质言之，本专利技术受生物进化过程中优化环境适应性的功能性策略启发，基于材料合成中的本征“类液态”非平衡中间相和后续自发有序的过程专利技术充分利用材料自身生长过程高效稳定污染物，也为基于生物矿化过程制备吸附材料提供了新的方向，具体方案如下：一种聚合物诱导，利用生物矿化过程中的PILP过程制备高比表面、孔隙率的重金属高效稳定固定纳米材料的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)磷酸钙的合成：将钙盐溶液和磷酸盐溶液在缓冲液中混合，得到混合液，以形成PILP过程中的磷酸钙；(2)将聚合物和胶原蛋白加入到混合液中，并调节混合液pH＝6.0-8.0；(3)产物矿化：将混合液在生理条件下矿化，得到羟基磷灰石，即重金属高效稳定固定纳米材料。本专利技术利用PILP过程制备高比表面、高孔隙率的吸附材料。所制备的材料在重金属吸附过程中展现出局域效应，显著提升了吸附剂的吸附容量和稳定性。在羟基磷灰石合成过程中通过添加聚合物实现PILP过程，反应过程中生成的PILP相既可在吸附重金属过程中体现出限域效应，实现污染物的高效吸附，又可在结构有序化过程中，将吸附于PILP相表面的重金属高效“封装”，有效降低二次污染的风险。进一步地，所述的钙盐包括CaCl2、Ca(NO3)2、CaSO4中的一种或多种，磷酸盐包括K2HPO4；所述钙盐溶液的浓度为5-10mM，磷酸盐溶液的浓度为2-6mM。进一步地，所述的缓冲液包括pH＝7.4的Tris缓冲液，其添加量使混合液pH为中性。进一步地，所述的聚合物包括Mw＝3100-24800Da的聚天冬氨酸钠盐。进一步地，所述的胶原蛋白浓度为0.1-20g/L。进一步地，所述的钙盐、磷酸盐、聚合物和胶原蛋白的摩尔质量比为(5-10)mmol:(2-6)mmol:(0.5-10)g:(0.1-20)g。进一步地，调节pH采用浓度为0.1M的NaOH或HCl溶液。进一步地，所述生理条件的温度为36.5-37.3℃，相对湿度为70-80％、pH＝6.0-8.0；所述矿化的时间为5-15天。一种如上所述方法制备的聚合物诱导重金属高效稳定固定纳米材料。一种如上所述的聚合物诱导重金属高效稳定固定纳米材料的应用，该复合材料应用于去除水体中重金属，所述的重金属包括Cd(II)、Ni(II)、Cu(II)、Pd(II)、Cs(II)或Zn(II)中的一种或多种。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术利用生物矿化过程中的PILP过程制备高比表面、孔隙率的吸附材料；(2)本专利技术的吸附剂具有大量活性位点，可实现重金属污染物的高效吸附；(3)本专利技术的材料本身对污染物的高亲和能力，结合孔道限域效应实现了材料对重金属的高效固定；(4)本专利技术合成的羟基磷灰石会不断老化。在老化过程中可实现对被吸附的重金属元素的晶格固定。附图说明图1为实施例1中制备的纳米材料的XRD图谱；图2为实施例1中PILP过程合成的羟基磷灰石的SEM(左)和TEM图(右)；图3为实施例1中PILP过程合成的羟基磷灰石和普通法合成的羟基磷灰石的Cd(II)等温吸附曲线；图4为实施例1中PILP过程合成的羟基磷灰石的动力学吸附曲线；图5为实施例1中制备的纳米材料吸附重金属后的XRD图谱；图6为实施例1中PILP过程合成的羟基磷灰石和普通法合成的羟基磷灰石的Cd(II)脱附性能对比；图7为实施例1中材料的脱附实验结果。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。一种聚合物诱导，利用生物矿化过程中的PILP过程制备高比表面、孔隙率的重金属高效稳定固定纳米材料的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)磷酸钙的合成：将钙盐溶液和磷酸盐溶液在缓冲液中混合，得到混合液，以形成PILP过程中的磷酸钙；其中，钙盐包括CaCl2、Ca(NO3)2、CaSO4中的一种或多种，磷酸盐包括K2HPO4；所述钙盐溶液的浓度为5-10mM，磷酸盐溶液的浓度为2-6mM；缓冲液包括pH＝7.4的Tris缓冲液，其添加量使混合液pH为中性；(2)将聚合物和胶原蛋白加入到混合液中，并浓度为0.1M的NaOH或HCl溶液调节混合液pH＝6.0-8.0；其中，聚合物包括Mw＝3100-24800Da的聚天冬氨酸钠盐；胶原蛋白浓度为0.1-20g/L，最终钙盐、磷酸盐、聚合物和胶原蛋白的摩尔质量比为(5-10)mmol:(2-6)mmol:(0.5-10)g:(0.1-20)g；使用的胶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚合物诱导重金属高效稳定固定纳米材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n(1)磷酸钙的合成：将钙盐溶液和磷酸盐溶液在缓冲液中混合，得到混合液，以形成PILP过程中的磷酸钙；/n(2)将聚合物和胶原蛋白加入到混合液中，并调节混合液pH＝6.0-8.0；/n(3)产物矿化：将混合液在生理条件下矿化，得到羟基磷灰石，即重金属高效稳定固定纳米材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种聚合物诱导重金属高效稳定固定纳米材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)磷酸钙的合成：将钙盐溶液和磷酸盐溶液在缓冲液中混合，得到混合液，以形成PILP过程中的磷酸钙；
(2)将聚合物和胶原蛋白加入到混合液中，并调节混合液pH＝6.0-8.0；
(3)产物矿化：将混合液在生理条件下矿化，得到羟基磷灰石，即重金属高效稳定固定纳米材料。


2.根据权利要求1所述的一种聚合物诱导重金属高效稳定固定纳米材料的制备方法，其特征在于，所述的钙盐包括CaCl2、Ca(NO3)2、CaSO4中的一种或多种，磷酸盐包括K2HPO4；所述钙盐溶液的浓度为5-10mM，磷酸盐溶液的浓度为2-6mM。


3.根据权利要求1所述的一种聚合物诱导重金属高效稳定固定纳米材料的制备方法，其特征在于，所述的缓冲液包括pH＝7.4的Tris缓冲液，其添加量使混合液pH为中性。


4.根据权利要求1所述的一种聚合物诱导重金属高效稳定固定纳米材料的制备方法，其特征在于，所述的聚合物包括Mw＝3100-24800Da的聚天冬氨酸钠盐。


5.根据权利要求1所述的一种聚合物诱导重金属高...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌岚，傅浩洋，盛杰，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31