一种丝胶基水凝胶及其碳化产物的制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种丝胶基水凝胶及其碳化产物的制备方法和应用，涉及生物质资源可再生利用、水污染控制和碳吸附剂制备技术领域。一种丝胶基水凝胶及其碳化产物的制备方法，以缫丝废水中丝胶蛋白为主要原料，在3V直流电压下，利用电沉积技术制备了丝胶蛋白/羧甲基壳聚糖(SS/CMCS)复合水凝胶，然后通过特定的碳化流程，将SS/CMCS复合凝胶制备为一种具有三维孔隙结构的丝胶蛋白基碳吸附剂(sericin

【技术实现步骤摘要】
一种丝胶基水凝胶及其碳化产物的制备方法和应用


[0001]本专利技术属于生物质资源可再生利用、水污染控制和碳吸附剂制备
，具体涉及一种丝胶基水凝胶及其碳化产物的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近些年，随着制造业和纺织业的高速发展，染料废水造成的水体污染引起了人们的广泛关注。染料废水通过管道排放到河流和湖泊，严重威胁了地区生态平衡和人类饮水安全。工业生产中常用的染色剂多为芳香族化合物，具有一定的毒性和致癌性，一旦人或动物摄入过量，可引起心率增快，恶心呕吐等不良反应。
[0003]印染废水处理中常用的方法包括生物降解、膜过滤和化学氧化等，然而这些方法存在着对设备和人员要求高、操作繁琐和周期长等问题。碳材料通过吸附作用能够有效去除废水中的染料，具有操作简单、成本低廉等优点。其中，一些生物质原料，包括如花生壳、动物粪便、丝胶蛋白等制备的碳吸附剂，价格低廉、环境友好，已被广泛用于碳吸附剂的制备。
[0004]丝胶蛋白(silk sericin，SS)是一种包裹在丝素纤维表层的天然蛋白，约占蚕丝总重量的20％～30％。在纺丝工业中，蚕茧缫丝后制得的生丝需要经过脱胶/精炼等工艺才能加工得到柔软、舒适的丝绸。据报道，全球每年生产40万吨干茧，经脱胶工艺后，至少5万吨(12.5％)丝胶蛋白进入废水并排放到环境中。丝胶蛋白的随意丢弃不仅是资源的浪费，而且会造成水体的富营养化，严重威胁生态环境。另一方面，由于丝胶蛋白分子量小、易溶于水的特点，水体中的丝胶蛋白难富集。如果能实现丝胶蛋白的有效富集并加以利用，将会带来巨大的经济效益和社会效益。
[0005]Hong等人[Nitrogen
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Rich Magnetic Bio
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Activated Carbon from Sericin:A Fast Removable and Easily Separable Superadsorbent for Anionic Dye Removal.Macromolecular Research.2020；28:1
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11.]以1wt％丝胶蛋白为原料，将KOH溶解在丝胶蛋白溶液中，丝胶蛋白与KOH的比值为1：1(w/v)。混合溶液在烘箱中蒸发24h后，制备成丝胶蛋白膜，随后将其放置在管式炉中800℃碳化3h后制备成丝胶基活性炭(S
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AC)。之后，Hong等人将S
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AC分散在水中并与FeCl3和FeSO4·
7H2O溶液混合，调节pH至10
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11后用蒸馏水洗涤所得物质，最终在80℃的烘箱中干燥24h后获得了负载FeSO4的丝胶蛋白基碳吸附剂，并证实了其对亚甲基橙具有较好的吸附效果。但该方法没有探讨针对溶液中丝胶蛋白的富集方法，且制备得到的FeSO4以共混的形式负载在丝胶蛋白上，存在吸附过程中FeSO4易脱落的可能性。

技术实现思路

[0006]为了方便叙述，本专利技术中的丝胶蛋白(silk sericin)简称为SS，羧甲基壳聚糖(carboxymethyl chitosan)简称为CMCS，采用本专利技术所述方法制备得到的丝胶蛋白/羧甲基壳聚糖水凝胶简称为SS/CMCS水凝胶，丝胶基碳(silk sericin
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based carbon)简称为
SC，亚甲基蓝(methylene blue)简称为MB。
[0007]本专利技术提供了一种丝胶基水凝胶及其碳化产物的制备方法和应用，可有效富集缫丝废水中的丝胶蛋白，并将其用于吸附印染废水中的有机染料。
[0008]本专利技术提供了一种丝胶基水凝胶的制备方法，包括如下制备步骤：
[0009]a.准备材料与试剂：羧甲基壳聚糖、丝胶蛋白粉、氯化钠、氢氧化钠；
[0010]b.CMCS溶液的配置：将CMCS粉末溶解于去离子水中，配置CMCS溶液，并用5M NaOH调节CMCS溶液pH＝9
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12；
[0011]c.SS溶液的配置：将丝胶蛋白粉溶解于去离子水中，配制一定浓度的SS溶液；
[0012]d.SS/CMCS水凝胶的制备：在25℃下，等体积混合配置好的SS溶液和CMCS溶液，磁力搅拌4h，将SS/CMCS混合液放置在4℃冰箱中过夜，保存待用，组装电化学工作站三电极系统，采用时间
‑
电流法制备水凝胶，制得的水凝胶于去离子水中浸泡15min，并重复浸泡3次，以去除残留物。
[0013]进一步，混合溶液中CMCS的浓度范围为0.2％～0.5％(w/v)。
[0014]这样水凝胶的成型效果好，容易实现水凝胶与液相的分离。
[0015]进一步，混合溶液中SS的浓度范围为0.1％～7％(w/v)。
[0016]这样更符合实际，实用性更强，这是因为脱胶废水中丝胶蛋白含量约为10～15％，因此生产中配制丝胶蛋白的溶液含量为0.1％～7％(w/v)易于达到。
[0017]进一步，SS/CMCS水凝胶的成胶电压为2V～3V。
[0018]电压增加到3V时，可以在石墨电极上观察到相当厚且致密的凝胶的形成。
[0019]进一步，SS/CMCS水凝胶的成胶时间为1min～5min。
[0020]这样可在不影响水凝胶结构的基础上，最大限度富集SS/CMCS混合溶液中的丝胶蛋白。
[0021]本专利技术提供了另一种技术方案：一种丝胶基水凝胶碳化产物的制备方法，包括e.碳化产物的制备：将本专利技术方法中步骤d获得的SS/CMCS水凝胶冻干，然后放置到管式炉中碳化，碳化产物于60℃去离子水中洗涤，直至溶液pH呈中性，将洗涤后的样品冷冻干燥后保存待用。
[0022]进一步，管式炉的升温程序分两个阶段：
①
在N2氛围下，以10℃/min升至150℃，停留1h；
②
以5℃/min升至350℃，停留3h，然后以3℃/min升至终止温度，并停留2h。
[0023]进一步，终止温度为850℃～1050℃。
[0024]本专利技术提供还提供了一种丝胶基水凝胶及其碳化产物的应用，采用本专利技术方法制备的丝胶基水凝胶及其碳化产物可用于处理印染废水。
[0025]本专利技术的有益效果：
[0026](1)本专利技术涉及一种丝胶基水凝胶及其碳化产物的制备方法，可在低电压下富集桑蚕丝脱胶废水中丝胶蛋白，富集获得的丝胶蛋白基水凝胶无需添加化学交联剂，能耗低，而且富集的水凝胶厚度、形状可控，实现了资源的回收利用。
[0027](2)本专利技术涉及一种丝胶基水凝胶及其碳化产物的制备方法，可将富集的丝胶蛋白基水凝胶碳化，从而得到具有三维多孔结构的丝胶基碳，采用本专利技术方法制备的丝胶基碳可以污治污，对印染废水中有机染料进行吸附。
附图说明
[0028]图1为不同水凝胶与其碳化产物的扫描电子显微镜(SEM)图像；
[0029]图2为SS溶液、CMCS水凝胶和SS/CMCS水凝胶冷冻干燥后的红外光谱图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种丝胶基水凝胶的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：a.准备材料与试剂：羧甲基壳聚糖、丝胶蛋白粉、氯化钠、氢氧化钠；b.CMCS溶液的配置：将CMCS粉末溶解于去离子水中，配置CMCS溶液，并用5M NaOH调节CMCS溶液pH＝9
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12；c.SS溶液的配置：将丝胶蛋白粉溶解于去离子水中，配制一定浓度的SS溶液；d.SS/CMCS水凝胶的制备：在25℃下，等体积混合配置好的SS溶液和CMCS溶液，磁力搅拌4h，将SS/CMCS混合液放置在4℃冰箱中过夜，保存待用，组装电化学工作站三电极系统，采用时间
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电流法制备水凝胶，制得的水凝胶于去离子水中浸泡15min，并重复浸泡3次，以去除残留物。2.根据权利要求1所述的一种丝胶基水凝胶的制备方法，其特征在于：混合溶液中所述CMCS的浓度范围为0.2％～0.5％(w/v)。3.根据权利要求1所述的一种丝胶基水凝胶的制备方法，其特征在于：混合溶液中所述SS的浓度范围为0.1％～7％(w/v)。4.根据权利要求1所述的一种丝胶基水凝胶的制备方法，其特征在于：所述SS/CMCS水凝胶的成胶电压为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小宁，纪岩松，陈珍玉，肖玉婷，李诗玮，胡红美，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：