[发明专利]一种水凝胶填充多孔滤材制备的复合滤芯

说明书

本发明公开了一种水凝胶填充多孔滤材制备的复合滤芯，其是以多孔滤材为模板，通过真空浸泡和原位聚合的方式使阳离子凝胶预聚物在多孔滤材孔洞内自交联形成初始凝胶，再以戊二醛为外加交联剂，促进孔洞中的初始凝胶形成完全交联水凝胶，从而制得阳离子凝胶填充的复合滤芯。本发明中阳离子凝胶以小于孔洞体积的微小颗粒镶嵌在多孔滤材内部，在保持滤芯较高水通量的同时解决了传统阳离子凝胶渗透吸附时间长、吸附效率低的问题；并以多孔滤材作为连续相包裹在凝胶颗粒外部，为复合滤芯提供良好的机械性能和适于实际应用的外观形态。本发明解决了原有阳离子水凝胶在实际应用中存在的吸附时水通量、渗透吸附效率和凝胶机械强度三者难以兼顾的技术问题。

技术领域

本发明属于吸附材料制备领域，具体涉及一种水凝胶填充多孔滤材制备的复合滤芯。

背景技术

得益于极大的吸附容量、独特的环境敏感性和选择吸附性等特质，凝胶吸附材料被誉为“super-adsorbent”，近年来新型凝胶吸附剂的制备和应用成果不断涌现。以离子型凝胶材料作为吸附剂，能将毒性很强的重金属离子、合成染料、砷酸盐和苯酚等从工业废水中去除，同时，凝胶吸附剂还具有吸附效果显著、适用范围广、不易造成二次污染等优点。然而，常见的离子型水凝胶多采用一步法自由基聚合工艺制备，难以针对材料的分子链和交联结构进行调控设计，这导致制备的凝胶材料结构和功能单一，在诸如凝胶溶胀率、凝胶形态、吸附和离子交换能力等综合应用性能方面无法做到灵活有效的调控。

对此，申请人在前期研究中提供了一种以丙酮、醛、胺等为原料，采用分步溶液缩聚法制备的阳离子水凝胶材料（中国专利CN 103962111A），其通过在预聚和交联等反应步骤分别改变反应物种类和反应条件，可对最终产物的分子链柔性、支化程度以及交联密度等结构参数进行调控，进而可以灵活有效地调节阳离子水凝胶的分子结构和宏观形态，实现了对废水中的合成染料、表面活性剂、有机磷酸酯盐等多种水溶性阴离子污染物的有效吸附脱除。

然而，发明人在进一步的应用研究中发现，该阳离子水凝胶与其他种类水凝胶材料类似，其吸附过程主要由凝胶内的渗透扩散行为主导。凝胶在水中溶胀后，污染物离子逐渐渗透进入凝胶内部，这使凝胶内部的活性吸附点都能参与有效吸附，因此其饱和吸附容量明显高于活性炭等传统吸附材料，但这一渗透吸附特性同时也导致其吸附速率较低、吸附平衡时间较长。实验研究显示，采用反相悬浮缩聚制得的直径1mm球形阳离子水凝胶达到吸附平衡需近3小时；而在实际应用中固定床吸附装置的床层高度有限，这使凝胶的高吸附容量特点无法充分发挥。

针对以上问题，目前已有报道的应对方法主要有两种，一是将凝胶磨成细粉或制成微米-纳米尺度的微球。这样虽可大幅提升渗透吸附速率，但粉末形态的产品在使用中易流失，而且紧密堆积时还会导致吸附柱阻塞，水流通量减小，难以适应放大规模应用的要求。另一解决方法是利用反相悬浮缩聚制备球形阳离子凝胶，同时添加致孔剂在凝胶内部形成孔隙。然而与活性炭等传统吸附材料相比，由缩聚反应制备的阳离子水凝胶脆性大、韧性低；使用致孔剂虽然可使球形水凝胶内部形成孔隙结构并增大比表面积，在提高渗透吸附速率的同时保持较高的水通量，但也会使球形凝胶的机械强度进一步降低，极易受压破损。因此，阳离子水凝胶虽具有优异的吸附能力，但在实际应用中却存在吸附时水通量、渗透吸附效率、材料机械强度三者难以兼顾的技术问题。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提出了一种以水凝胶填充多孔滤材制备的复合滤芯，其以多孔滤材为模板，通过真空浸泡和原位聚合的方式使阳离子凝胶预聚物在多孔滤材孔洞内浸润并自交联形成固态初始凝胶；再以戊二醛为外加交联剂，促进孔洞中的初始凝胶交联度上升、体积收缩，形成完全交联水凝胶，所得阳离子凝胶以略小于孔洞体积的微粒形式实现对多孔滤材的填充，同时保留了滤材较高的水流通量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水凝胶填充多孔滤材制备的复合滤芯，其包括如下步骤：