[发明专利]一种离子印迹CMC/SSA气凝胶的制备方法及其应用

说明书

本发明属于材料制备技术和分离技术领域，涉及一种离子印迹CMC/SSA气凝胶的制备方法及其应用，以及在稀土离子回收中选择性吸附回收Gd的应用。本发明以CMC为基础骨架，SG和SA为改性材料，印迹技术为吸附选择性提供基础，制备结构稳定的多孔CMC/SSA气凝胶材料，用于稀土离子Gd的吸附分离回收应用。结果表明利用本发明获得的离子印迹CMC/SSA气凝胶有高效的选择性且吸附性能优异，且有较高的可重复使用性。

技术领域

本发明涉及一种具有高选择性吸附目标离子的CMC/SSA气凝胶的制备方法，尤其涉及稀土离子吸附分离的制备方法。属于材料制备和吸附分离技术领域。

背景领域

稀土元素由于其独特的磁性、化学、光学、催化和电子性质，是许多高科技、传统和未来工业的优异材料中不可替代的组分，如超级磁体、超导材料、化学传感器、激光、光纤、发光电池和计算机硬盘。新的先进技术的惊人发展导致对稀土的需求过度增长，而有限资源的枯竭导致国际市场价格膨胀的剧烈变化。此外，这种情况导致更多的采矿点和活跃的稀土采矿作业的出现，而采矿过程严重污染了周围的环境，无疑会造成巨大的环境影响，如产生大量的含稀土废水。废水的随意排放而不进行有效回收，将引发稀土资源的巨大损失以及对人类的潜在风险。因此，从水溶液中进一步富集和回收有价值的稀土元素已成为环境和技术的需要。已经提出了从水溶液中分离和回收稀土元素的各种方法，包括化学沉淀、溶剂萃取、离子交换和电解。然而，这些技术大多涉及复杂的程序，不可预测的二次污染和高能耗，只能用于处理高浓度稀土溶液，且成本相对较高。因此，开发生态友好和低成本的低浓度稀土富集和回收技术对于稀土的可持续供应是迫切和必要的。3D多孔材料逐渐进入大家的视野当中，气凝胶在3D多孔材料中的研究也越来越多。已有的离子印迹在吸附方面有较多应用，而对于吸附稀土离子Gd的应用研究很少。离子印迹技术可以对稀土离子Gd有选择性，但吸附结合效果不佳，因为气凝胶材料在吸附Gd³⁺的吸附过程中属于化学吸附，而不同的元素需要用到不同的吸附基团，如何更好的有针对性的吸附稀土离子Gd的气凝胶，是本发明所要解决的问题。

发明内容

为了解决常规气凝胶无法满足在稀土离子Gd应用中的需求，本发明对原有的CNC进行了羧甲基化(CMC)以此增加吸附稀土元素的基团，增加吸附效率，采用带有天然阴离子羧酸基团的SA可以很好的吸附阳性稀土元素，丝胶蛋白(SG)丝胶蛋白拥有大量的羧基可以在化学层面加大吸附稀土离子性能。在本发明中，SA与羧酸的SG混合可以形成具有蜂窝状的3D结构，大大增加了比表面积，为吸附提供了更多的吸附结合位点。本发明利用磁力搅拌法将SG和SA混合后加入CMC中制得CMC/SSA气凝胶，用于对稀土离子Gd的分离回收。

本发明的技术方案是:

一种具有高选择性吸附目标离子的CMC/SSA气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)将海藻酸钠溶液和丝胶蛋白溶液混合，在高速转速下搅拌一顿时间，得到功能化海藻酸钠溶液；

(2)向功能化的海藻酸钠溶液中加入羧甲基化纤维素，在室温下搅拌后，冷冻干燥，得到CMC/SSA气凝胶；

(3)向硝酸钆水溶液中添加CMC/SSA气凝胶，调整pH值为7.0，搅拌后将气凝胶转移到冰醋酸水溶液中洗脱，去除钆离子，然后冲洗、干燥，得到离子印迹CMC/SSA。

进一步，步骤(1)中海藻酸钠溶液的浓度为2.0％～2.5％w/v(2～2.5g/100mL)；丝胶蛋白溶液浓度为2.0％～2.5％w/v(2～2.5g/100mL)；海藻酸钠溶液和丝胶蛋白溶液的体积比为1:1。

进一步，高速转速的转速为5000rpm；搅拌时间为30min；(或加入聚乙烯醇进行搅拌，聚乙烯醇不会影响吸附结果，只会影响交联的反应时间，可使实验速率加快)

功能化海藻酸钠SSA溶液与CMC质量比为1：2～1：3；