[发明专利]一种壳聚糖/生物炭复合气凝胶球、其制备的方法及应用

说明书

本发明涉及一种壳聚糖/生物炭复合气凝胶球、其制备的方法，壳聚糖/生物炭复合气凝胶球以壳聚糖和生物炭为基材，利用环氧氯丙烷交联，在碱性混凝剂中成型，最后经真空冷冻干燥得到复合气凝胶球。生物质玉米芯经过氢氧化钾活化以及高温热解得到多孔生物炭，可作为壳聚糖基质的骨架支撑材料，提高复合气凝胶球的机械强度，利用环氧氯丙烷交联，提高复合气凝胶球的化学稳定性，复合气凝胶球规整的形貌有利于使用及分离回收。本发明所制备的壳聚糖/生物炭复合气凝胶球具有丰富的官能团和高度发达的三维多孔结构，其对抗炎药酮洛芬的吸附容量达102mg/g。吸附后的复合气凝胶球可利用乙醇浸泡脱附。本发明所制备的壳聚糖/生物炭复合气凝胶球可用于对含酮洛芬废水的高效分离。

技术领域

本发明属于功能材料的技术领域，具体涉及一种壳聚糖/生物炭复合气凝胶球、其制备的方法及应用。

背景技术

随着医疗和个人护理领域的快速发展，抗炎药、抗生素、激素等有机药物在水体中产生了高痕量浓度(从ng/L到μg/L)，这引起了各界人士的极大关注。这些有机微污染物由医院，工厂通过废水不断排放到天然水域中。然而，药物污染物其不可生物降解性和严重的毒性将会对水生生物造成潜在的影响，并威胁到人类的生命健康。这些严重的后果导致药物污染物已被列入欧盟水框架指令的动态“观察名单”和联合国教科文组织“水中新兴污染物”名单。酮洛芬(2-(3-苯甲酰基苯基)丙酸)，CAS NO:22071-15-4)是一种典型的抗炎药物，主要用于缓解轻至中度疼痛。由于酮洛芬药物的广泛使用，处置不当和不可降解，导致在地下水、河水以及海洋等各类水域中被检测到。

壳聚糖(CAS NO:9012-76-4)是甲壳素的部分脱乙酰产物，含有丰富的官能团，如羟基(-OH)和氨基(-NH₂)。重要的是，壳聚糖具有良好的生物降解性、生物相容性、低成本等特性，其被广泛用作去除各种污染物。壳聚糖气凝胶具有高度发达的三维多孔结构且可以通过氢键或静电相互作用与有机药物分子有效结合。然而，壳聚糖气凝胶由于机械强度低，化学稳定性差以及不规则的形貌等问题限制了其工业化的应用。另一方面，生物质热解制备的生物炭具有环保，经济等优点，是近年来广泛用于修复污染废水的市售材料。

如何有效的提高壳聚糖气凝胶机械强度及化学稳定性，改善壳聚糖气凝胶的形貌以及充分的利用生物质原料是壳聚糖/生物炭复合气凝胶球从水体中去除抗炎药酮洛芬急需解决的问题。

发明内容

为了解决壳聚糖气凝胶在机械强度，化学稳定性以及形貌方面的问题，本发明提供一种壳聚糖/生物炭复合气凝胶球的制备方法。该复合气凝胶球以壳聚糖和生物炭为基材，利用环氧氯丙烷交联，在碱性混凝剂中成型，最后经真空冷冻干燥得到复合气凝胶球。本发明提供的壳聚糖/生物炭复合气凝胶球具有高度发达的三维多孔结构，良好的机械强度和化学稳定性以及规整的球体形貌特点。同时，该复合气凝胶球对水体中抗炎药酮洛芬表现出优越的吸附性能。另外，壳聚糖/生物炭复合气凝胶球是一种可生物降解、经济环保型材料，符合可持续发展理念。

本发明要解决上述问题，所采用的技术方案是：

一种壳聚糖/生物炭复合气凝胶球的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)利用氢氧化钾活化及高温热解生物质玉米芯得到生物炭；

(2)将壳聚糖溶于醋酸溶液中得到壳聚糖溶液，将生物炭和交联剂环氧氯丙烷加入壳聚糖溶液中，混合后得到反应混合溶液，反应混合溶液中生物炭与壳聚糖的质量比为5～15％；

(3)将反应混合溶液通过注射器泵均速地滴入碱性混凝剂中，得到成型的壳聚糖/生物炭复合水凝胶；

(4)将壳聚糖/生物炭复合水凝胶经真空冷冻干燥得到所述壳聚糖/生物炭复合气凝胶球。

优选，生物炭制备包括以下步骤：

(1)将收集的生物质玉米芯冲洗干净，烘干待用；