[发明专利]基于微流控技术的水凝胶微球及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于微流控技术的水凝胶微球的制备方法，通过借助连续相液体对分散相液体的剪切力、界面张力等作用生成液滴模板，再通过固化干燥，形成具有重金属离子吸附性能的水凝胶微球。本发明中由于液滴是通过连续相对分散相的剪切作用产生的，而两相溶液在微通道内都很稳定，因此得到的液滴直径比较均一，后期经交联固化、洗涤干燥后可得到单分散的水凝胶微球。

技术领域

本发明涉及的是基于微流控技术用于重金属废水处理的水凝胶微球及其制备方法，属于废水处理技术领域。

背景技术

近年来，水污染事件频发，“重金属废水”污染尤为严重。重金属离子污染是无色无味的“隐形污染”，在日常生活中极难被发现，但对环境和人体健康的危害极大。由于重金属离子污染具有微量毒性、长期积累、终生有害、不可逆、难以防范等特点，对饮用水安全特别是处在发育中的儿童的身体健康造成极大的危害。水污染物的综合治理已成为当前环境工程和环境保护的重点。目前，重金属废水的处理方法主要有：化学沉淀法、膜分离技术、离子交换法、吸附法等。吸附法是一种利用多孔固体物质吸附废水中重金属离子的有效方法。固体吸附剂广泛应用于有效去除废水中的金属离子，聚合物基复合材料因其固有的环境友好性和可降解性而受到广泛关注。选择吸附能力强、去除率高的吸附剂是吸附法去除重金属的关键问题。

水凝胶是一种具有三维网络结构的交联聚合物，它能够在水中溶胀至平衡状态，并保持一定的水分。由于水凝胶具有较强的溶胀性和吸附能力，在染料、金属离子等污染物的吸附领域引起了众多研究者的关注。目前，水凝胶对重金属离子的吸附主要依赖于水凝胶中的羧基(-COOH)、氨基(-NH₂)、羟基(-OH)、磺酸基(-SO₃H)等官能团，这些官能团与重金属离子之间会发生吸附、离子交换和螯合作用，从而达到净水的作用。由于水凝胶具有多孔性好、比表面积大、与金属离子螯合作用强等特点，使其在实际去除废水中的重金属离子方面具有广阔的应用前景。

采用本体聚合方法可以合成大块的水凝胶。然而，由于水凝胶微球能够提供大的比表面积更有利于脱附废水中的重金属离子。目前，传统的水凝胶微球的制备工艺主要有分散聚合法、水相沉淀聚合法、乳液聚合法等等。其中，采用分散聚合制备的水凝胶微球粒径均一，而且粒径分布接近单分散性，但是制备过程中悬浮剂的用量比较大、成本耗费高。水相沉淀聚合法的聚合体系粘度比较低，无需添加表面活性剂及稳定剂，制备的水凝胶微球比较洁净、粒径均匀，但微球的产率低，溶剂毒性高。乳液聚合法聚合速率快，但是聚合物分离过程繁琐，残留杂质难以去除。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微流控技术的水凝胶微球的制备方法，用于重金属废水处理。本发明通过微流控芯片的两种或两种以上互不相容的流体一种作为连续相，另外几种流体作分散相，连续相流体借助外力操控将分散相流体剪切成尺寸均一的微小液滴并分散于连续相中，最终生成液滴模板。通过调节两相流速、芯片孔道尺寸以及流体间的界面张力，可以使液滴尺寸和形态得到有效控制，从而制备出高度单分散的微液滴，最后经交联固化得到水凝胶微球。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种基于微流控技术用于重金属废水处理的水凝胶微球的制备方法，通过借助连续相液体对分散相液体的剪切力、界面张力等作用生成液滴模板，再通过固化干燥，形成具有重金属离子吸附性能的水凝胶微球。具体制备方法包括以下步骤：

（1）采用微加工技术建立微流控通道，该微流控通道由三通管和微管构成，其中，微管第一端固定设置在三通管的直管体第一端，微管第二端完全覆盖三通管的支管体管口，供分散相进入的分散相入口位于微管第一端，供连续相进入的连续相入口位于支管体管口，出口位于三通管的直管体第二端；

（2）以单体、交联剂和引发剂为溶质，以水为溶剂配制分散相；

（3）以油相溶液作为连续相；

（4）将分散相和连续相分别从其对应的入口通入，控制流速，从出口得到粒径高度单分散的液滴模板；