[发明专利]含有纳米粘土的高吸附性水凝胶及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及环境保护和智能高分子材料领域，具体涉及含有纳米粘土的高吸附性水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

随着经济的发展和人口的快速增长，大量的生活废水、工业废水等排入水体，引发一系列的问题。氟污染、水体富营养化以及染料废水的污染最为常见。染料废水的危害性较大，即使浓度很低的染料废水排入水体亦会造成水体透光率的降低，可能会导致水体生态系统的破坏，这引起了人们对染料污染的重视。这些染料分子或者它们的代谢物可能含有剧毒，有潜在的致癌性，甚至引起暴露在外的生物有机体有机突变或过敏。它们不仅污染环境而且穿过整个食物链，导致生物放大。因此，研制和使用新的高效、低毒和价廉的废水处理材料是解决染料废水污染问题的关键之一。

将染料从废水中移除的传统方法有物化法、化学法、物理吸附法、生化法、电化学法和生物处理技术等。各种方法虽各有特色，但各存在局限性，效果各不相同。相比于上述材料和方法，介于液体和固体之间的能显著地溶胀于水并保持大量水分而又不能溶解于水的水凝胶在吸附染料废水上具有成本低廉、设计简单、操作简便、环境友好和对有毒物质非常敏感等优点。此外，部分水凝胶拥有离子官能团，可以吸附和捕捉离子染料。Bekiari等(Colloid and surfaces A：Physicochem.Eng.Aspects，2008，312：214-218)制备了聚(二甲基丙烯酰胺-co-丙稀酸钠)水凝胶，并用于亚甲基蓝等有机染料和镍铬等金属离子的吸附，结果发现水凝胶对染料的吸附取决于其化学结构，其中该凝胶对阳离子染料吸附最好，且可在低pH值的水溶液中再生。Morris等(Journal ofColloid and Interface Science，1997，190：198-205)将异丙基丙烯酰胺与丙烯酸共聚制得的水凝胶从溶液中可逆吸附和释放重金属离子铅Pb²⁺，发现凝胶通过与金属的螯合作用可有效地吸附Pb²⁺。

纳米材料是近二十年来各学科的研究热点。由于纳米粒子较小的尺寸、大的比表面积产生的量子效应和表面效应，赋予纳米材料特殊的性质，表现在力学、光学、电学、磁学、催化等方面显现出优异的性能。自然界中有许多具有纳米结构的天然矿物。层状硅酸盐纳米粘土如蒙脱土、蛭石、绿脱石、高岭土和云母就属于这类矿物。这些粘土是由成千上万个厚度为1nm(纳米)、长宽为几十到几百nm的小片层组成的；其中一些俗称为膨润土的蒙脱土、蛭石等矿物，片层具有很强的极性并带有负电荷，层间吸附有金属阳离子，由于具有比表面积大、孔隙率高、无毒、极性和粘结性强等特征，对水中各种类型的污染物均具有良好的吸附性能。白晓琳等(辽宁化工，2007，36(11)：755-757)以镁铝双金属离子低聚物为交联剂，制备了复合联膨润土，用于处理含结晶紫染料的废水，发现脱色率在98％以上。中国专利CN1830823A公开了一种由活性膨润土、活性凹凸棒粘土、聚合氯化铝和聚丙烯酰胺组成的纺织印染废水处理剂，中国专利CN101342482A公开了一种硅烷偶联剂改性凹凸棒粘土/聚丙烯酰胺复合吸附剂的制备方法。

天然高分子及其衍生物以其独特的优势，已广泛应用在废水处理上。目前，研究和应用的天然有机高分子主要有壳聚糖、淀粉、纤维素等。丁世敏等(武汉大学学报(理学版)，2004，50(6)：711-715)研究了环氧氯丙烷交联壳聚糖多孔微球对3种染料的吸附性能，并与活性炭、壳聚糖的吸附性能进行了比较，交联壳聚糖多孔微球对橙黄II的饱和吸附量分别是活性炭、壳聚糖的4.39和6.68倍。中国专利CN101279245B公开了一种铜络合天然高分子吸附材料的制备方法，中国专利CN1830823A公开了一种高分子树脂型胆红素吸附剂的制备方法。值得一提的是，中国专利CN101215350A、CN101319019A和CN101735353A公开了以无机纳米粘土(如焦磷酸钠改性的锂皂石、锂蒙土和锂藻土)作为物理交联剂制备纳米复合水凝胶，但并未涉及染料吸附性能。

由上分析可以看出，水凝胶、粘土矿物和天然有机高分子及其衍生物材料均对染料有良好的吸附作用，然而以凝胶作为载体，将无机纳米粘土和水溶性天然高分子相结合用于离子染料吸附的报道相当少。研制适应面广、价格低、应用方便、效果好的染料废水吸附剂是解决纺织等废水污染的当务之急，而综合利用凝胶的大孔洞和高溶胀性、无机纳米粘土的高比表面积及天然生物高分子的无毒和络合吸附性强等优点则可实现优势互补，解决上述问题。

发明内容