一种自驱动吸附重金属Janus微球及其制备方法和用途技术

本发明专利技术公开了一种自驱动吸附重金属Janus微球及其制备方法和用途，包含如下步骤：1)制备海藻酸钠溶液和氯化钙溶液；2)化学改性和热解制备得到用于吸附重金属离子的活性炭；3)将步骤2)所得的活性炭与步骤1)所得海藻酸钠溶液混合作为Janus微球的一面；4)将Fe3O4纳米颗粒和过氧化氢酶与步骤1)所得海藻酸钠溶液混合作为Janus微球的另一面，5)将步骤3)和步骤4)中的两种溶液分别推入气体剪切加工装置的针头，在气体剪切力作用下喷射入氯化钙溶液中固化成Janus微球。本发明专利技术制备的Janus平均粒径为500μm左右，呈现出明显的双面结构，在H2O2溶液中能产生气泡推动Janus微球运动，对Cr(VI)具有高效的吸附能力，通过施加外部磁场可方便回收Janus微球。方便回收Janus微球。方便回收Janus微球。

【技术实现步骤摘要】
一种自驱动吸附重金属Janus微球及其制备方法和用途


[0001]本专利技术涉及高分子材料领域，具体涉及一种自驱动吸附重金属的Janus微球及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]水处理目的是提高水质，使之达到某种水质标准。活化炭吸附法属于生物化学法，是常用的污水处理技术。活性炭上丰富的
‑
OH基团与Cr2O
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‑
生成单齿或双齿配合物，达到化学吸附的效果。但是在活性炭吸附法中，仍然存在许多关键技术难题，限制了活性炭对重金属离子的效率的提高。例如如何提高活性炭与水的接触面积进而提升吸附效率。此外，如何高效快速回收活性炭也是亟待解决的技术难题。
[0003]古罗马的双面神叫做Janus，在高分子材料领域中常用来描述具有两种不同化学结构或性质的不对称粒子。Janus微球因其特殊的结构和化学组成使其在物理和化学性质方面具有独特的性质。
[0004]本项目利用Janus微球具有两面的特点，在其中一面加入活性炭，使Janus 微球具有吸附Cr(VI)的能力；在另外一面加入Fe3O4纳米颗粒和过氧化氢酶， Fe3O4纳米颗粒用于在外加磁场下高效回收Janus微球，过氧化氢酶使Janus微球在H2O2溶液中能产生气泡促使微球运动，增加其与重金属溶液的接触面积，提高吸附效率。
[0005]本专利技术将Janus微球的特性和活性炭吸附法相结合，不仅增加活性炭吸附重金属离子的吸附效率，而且方便回收Janus微球。有效解决了活性炭吸附法中关键技术难题。
专利
技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种自驱动吸附重金属的Janus微球及其制备方法和用途。本专利技术所制备得到的Janus 微球对Cr(VI)有较高的能力，并且在不借助外部条件的情况下实现自驱动，进一步提高Janus对Cr(VI)的吸附能力。
[0007]本专利技术为解决上述问题所采用的技术方案为：
[0008]一种自驱动吸附重金属的Janus微球，Janus微球的一面含有活性炭，用于吸附Cr(VI)；Janus微球的一面另一面含有Fe3O4纳米颗粒和过氧化氢酶，分别用于外部磁场回收微球和驱动微球运动。
[0009]按上述方案，所述Janus微球的平均粒径为500
±
10μm。
[0010]本专利技术包含上述一种自驱动吸附重金属的Janus微球及其制备方法，主要步骤如下：
[0011](1)制备海藻酸钠溶液和氯化钙溶液，海藻酸钠作为基材，可与钙离子交联成球；
[0012](2)以甘蔗渣为原料，ZnCl2作为激活剂，二者混合在水溶液中混合，完全干燥后在氮气气氛下热解得到活性炭；
[0013](3)将步骤(2)所得的活性炭与步骤(1)中所得的海藻酸钠溶液混合，作为Janus的
一面；
[0014](4)将Fe3O4纳米颗粒和过氧化氢酶与步骤(1)中所得的海藻酸钠溶液混合，作为Janus的另一面，其中Fe3O4纳米颗粒用于在外加磁场下快速回收 Janus微球，过氧化氢酶用于在H2O2溶液中能产生气泡促使微球运动；
[0015](5)将步骤(3)和步骤(4)中的两种溶液分别推入气体剪切加工装置的针头中(装置如图1所示)，在气体剪切力作用下喷射入氯化钙溶液中固化成 Janus微球。
[0016]进一步地，步骤1)中，海藻酸钠溶液的质量分数为1.0
‑
2.0％，氯化钙溶液的质量分数为1.0
‑
2.0％。
[0017]进一步地，步骤2)中，ZnCl2与甘蔗渣以3∶10
‑
9∶10的质量比在水中浸泡12h后完全干燥，并在氮气气氛中以400
‑
600℃热解1
‑
2h。
[0018]进一步地，步骤3)中，活性炭在海藻酸钠溶液中质量分数为2.0
‑
4.0％。
[0019]进一步地，步骤4)中，Fe3O4纳米颗粒径为30nm，Fe3O4纳米颗粒在海藻酸钠溶液中质量分数为0.1
‑
0.5％，过氧化氢酶在海藻酸钠溶液中质量分数为 4.0
‑
6.0％。
[0020]进一步地，步骤5)中，溶液推进入气体剪切加工装置的速度为1.0
‑ꢀ
2.0mL/min，在气体剪切力作用下形成液滴喷射进入氯化钙溶液，气体流速为 2.0
‑
8.0L/min。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0022]首先，本专利技术解决了水处理中活化炭吸附法吸附效率难以提高的技术难题。Janus微球的其中一面装载活性炭，另一面装载过氧化氢酶。当微球处于含有H2O2溶液中时，过氧化氢酶催化分解H2O2，产生气泡推动微球运动，实现不借助外力的自驱动行为。相比如传统形式的活性炭吸附法，这种Janus微球可以在污染物溶液中实现自驱动，增加活性炭与污染物的接触面积，有效提高吸附效率。
[0023]其次，本专利技术解决了水处理中活化炭吸附法难以回收吸附剂的技术难题。在传统活性炭吸附法中，增大活性炭与污染物的接触面积和快速高效的回收是相互矛盾的。而在本专利技术中，由于Janus微球的自驱动行为，有效增加活性炭与污染物的接触面积。另一方面，Fe3O4纳米颗粒的加入，在外加磁场的作用下，Janus微球可以定性移动，大大提高了回收效率。
[0024]最后，本专利技术利用气体剪切加工装置制备Janus微球，相比于传统的微流控法，本专利技术不使用油或者表面活性剂等冗余成分，所制备的微球具备良好的生物相容性，在吸附污染物的过程中不会对水资源造成二次污染。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0026]图1气体剪切加工装置示意图。
[0027]图2为实施例1中制备得到Janus微球的光学显微镜图。
[0028]图3为实施例1中制备得到Janus微球吸附Cr(VI)的吸附动力学曲线。
具体实施方式
[0029]为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术不仅仅局限于下面的实施例。
[0030]实施例1
[0031]一种自驱动吸附重金属的Janus微球及其制备方法，具体步骤如下：
[0032](1)海藻酸钠与蒸馏水混合后充分搅拌得到海藻酸钠溶液，分成两等分待用，其中海藻酸钠的质量分数为1.5％；氯化钙与与蒸馏水混合后充分搅拌得到氯化钙溶液，其中氯化钙的质量分数为1.5％。
[0033](2)ZnCl2与甘蔗渣以3∶10的质量比在水中浸泡12h后完全干燥，在马弗炉中保持氮气气氛以400℃热解1h，研磨成分后用120目筛子筛本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自驱动吸附重金属Janus微球及其制备方法，其特征在于：Janus微球的一面含有活性炭，用于吸附Cr(VI)；Janus微球的一面另一面含有Fe3O4纳米颗粒和过氧化氢酶，分别用于外部磁场回收微球和驱动微球运动。2.根据权利要求1所述的一种自驱动吸附重金属Janus微球及其制备方法，其特征在于所述的Janus微球的平均粒径为500
±
10μm。3.一种自驱动吸附重金属Janus微球及其制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)制备海藻酸钠溶液和氯化钙溶液；(2)以甘蔗渣为原料，ZnCl2作为激活剂，二者混合后在氮气气氛下热解得到活性炭；(3)将步骤(2)所得的活性炭与步骤(1)中所得的海藻酸钠溶液混合，作为Janus的一面；(4)将Fe3O4纳米颗粒和过氧化氢酶与步骤(1)中所得的海藻酸钠溶液混合，作为Janus的另一面；(5)将步骤(3)和步骤(4)中的两种溶液分别推入气体剪切加工装置的针头中(装置如图1所示)，在气体剪切力作用下喷射入氯化钙溶液中固化成Janus微球。4.根据权利要求3所述的一种自驱动吸附重金属Janus微球及其制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，海藻酸钠溶液的质量分数为1.0
‑
2.0％，氯化钙溶液的质量分数为1.0
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【专利技术属性】
技术研发人员：黄超伯，蔡一新，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：