一种纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂及其制备方法和应用

本发明属于水凝胶吸附剂制备，具体涉及一种纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着人口膨胀和城市化进程的加速，水资源需求与日俱增，同时水污染问题日益严峻，成为亟待解决的生态环境问题。污水处理问题的一个主要难点在于如何有效分离污水中分散的颗粒物质，这些颗粒往往因其固化稳定性和沉降稳定性而难以被有效去除。其中，亚甲基蓝作为一种碱性阳离子染料，在纺织、着色、皮革、印刷领域有广泛应用，但其含有的毒性不容乐观。目前，染料废水的治理方法主要有化学法、生物法和物理法。其中，物理法包括萃取法、膜分离法和吸附法。

2、在主要的油类吸附剂中，纤维素基吸附剂因其生物可降解性和可适用性，相比于矿物或石油基材料的传统吸附剂来说优势显著。聚丙烯酰胺凝胶由聚丙烯酰胺分子在水溶液中通过聚合作用形成，是一种常见的凝胶材料，其分子结构中富含酰胺基团，能与水分子形成氢键，所以在水中能够形成稳定的凝胶状态。此外，聚丙烯酰胺水凝胶能够通过生物降解或物理方法降解，减少对环境的污染，且其合成单体能够从生物质资源中获得，具有可再生性，有助于降低生产成本和资源消耗。

3、然而，采用现有技术方法制备的纤维素凝胶吸附剂和聚丙烯酰胺水凝胶吸附剂虽然具有较好的吸附性能，但纤维素凝胶吸附剂吸附容量有限且在水体中难以有效分离导致吸附后回收处理不便；而聚丙烯酰胺凝胶吸附剂则因其结构单一且比表面积低以及孔结构杂乱无章，限制了其吸附效能。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂及其制备方法和应用，以微晶纤维素和聚丙烯酰胺为原料，通过引入环氧氯丙烷后再采用溶胶凝胶法，制备得到纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂。采用本发明制备方法获得了纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂，纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂不仅解决了纤维素作为吸附剂吸附容量有限及在水体中难以有效分离的问题，同时也克服了聚丙烯酰胺凝胶结构单一且比表面积低以及孔结构杂乱无章导致的吸附性能差的缺陷，从而实现了有效提高对水环境中亚甲基蓝的吸附能力。

2、为了实现上述目的，本技术采用的技术方案为：

3、本发明的第一个目的是提供上述纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、将微晶纤维素、聚丙烯酰胺加入到溶剂中混合后，进行冷冻溶胀处理，以促进微晶纤维素和聚丙烯酰胺的溶解，得到溶胀的纤维素和溶胀的聚丙烯酰胺。其中，溶剂由尿素和氢氧化钠的水溶液组成。

5、s2、将溶胀的纤维素和溶胀的聚丙烯酰胺与环氧氯丙烷混合，得到纤维素-聚丙烯酰胺均相溶液。

6、s3、将纤维素-聚丙烯酰胺均相溶液进行凝胶化处理，以使微晶纤维素、聚丙烯酰胺以及环氧氯丙烷之间进行亲电取代反应，产生分子间作用力，得到纤维素-聚丙烯酰胺凝胶。

7、s4、将纤维素-聚丙烯酰胺凝胶进行冷冻干燥处理，保持纤维素-聚丙烯酰胺凝胶的多孔结构，增大比表面积，得到纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂。

8、优选的，所述微晶纤维素、聚丙烯酰胺与环氧氯丙烷的质量比为4:4:1.75～2；当环氧氯丙烷添加过多时，纤维素-聚丙烯酰胺凝胶表面过于黏稠，不易洗脱；添加量过低则无法起到交联效果，纤维素-聚丙烯酰胺凝胶无法成型或无法洗脱。

9、优选的，所述溶剂中尿素的质量浓度为140g/l～148g/l，所述氢氧化钠的质量浓度为80g/l～86g/l。

10、优选的，所述冷冻溶胀处理的条件为：于-20℃～-50℃下冷冻12h～24h；低温能够削弱微晶纤维素和聚丙烯酰胺分子间的氢键和范德华力，使其结晶结构变得不稳定；同时，低温条件下，尿素和氢氧化钠在水中的溶解性增加，有助于溶剂体系更好的渗透到微晶纤维素和聚丙烯酰胺内部，加速溶解过程。

11、优选的，所述凝胶化处理的条件为：于50℃～55℃下静置3h～4h。

12、优选的，所述冷冻干燥处理的条件为于-10℃～-20℃下干燥处理24h～36h，冷冻干燥有助于保持纤维素-聚丙烯酰胺凝胶的多孔结构，增大比表面积，而直接进行烘干处理容易导致纤维素-聚丙烯酰胺凝胶的多孔结构粘合塌陷。

13、优选的，将纤维素-聚丙烯酰胺凝胶进行冷冻干燥处理前，将纤维素-聚丙烯酰胺凝胶水洗至中性，以消除碱性物质对纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂使用时的干扰，同时方便更好的进行冷冻干燥。

14、本发明的第二个目的是提供上述纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂的制备方法制得的纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂。

15、本发明的第三个目的是提供上述纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂在制备吸附水环境中亚甲基蓝吸附剂中的应用。

16、优选的，应用方法为：将纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂与亚甲基蓝水溶液混合后进行吸附；其中，纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂的质量与亚甲基蓝水溶液质量浓度比为0.1g～0.3g:50mg/l～200mg/l。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

18、1、本发明提供了一种纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂的制备方法，将微晶纤维素、聚丙烯酰胺加入到由尿素和氢氧化钠组成的溶剂中混合后进行冷冻溶胀处理，得到溶胀的纤维素和溶胀的聚丙烯酰胺；将溶胀的纤维素和溶胀的聚丙烯酰胺与环氧氯丙烷混合后进行凝胶化处理，得到纤维素-聚丙烯酰胺凝胶；将纤维素-聚丙烯酰胺凝胶进行干燥处理，得到纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂。本方法不仅解决了纤维素作为吸附剂吸附容量有限、回收处理不便及在水体中难以有效分离的问题，同时也克服了聚丙烯酰胺凝胶比表面积低、孔结构杂乱无章导致的吸附性能较差的缺陷，从而实现了有效提高对水环境中亚甲基蓝的吸附能力。

19、其中，以尿素、氢氧化钠与水的混合溶液作为溶剂，不仅有效促进了微晶纤维素、聚丙烯酰胺与环氧氯丙烷在溶剂中的均匀分散和溶解，还确保了微晶纤维素、聚丙烯酰胺、环氧氯丙烷与溶剂体系的均一性与稳定性；将微晶纤维素和聚丙烯酰胺作为原料，在尿素和氢氧化钠水溶液的溶剂中通过冷冻溶胀处理，成功保留了微晶纤维素的天然孔隙结构和聚丙烯酰胺的高分子链柔性；环氧氯丙烷的环氧基团具有高反应活性，在碱的催化下，能够与微晶纤维素或聚丙烯酰胺分子链上的羟基或氨基发生亲电取代反应，生成稳定的共价键交联网络，而尿素不仅能够促进微晶纤维素和聚丙烯酰胺在低温下的溶胀行为，还有助于稳定体系的ph值，使得亲电取代反应更加高效。这种交联网络结构不仅增强了纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂的整体稳定性和机械强度，还促使了纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂内部形成规则且连续的多孔结构。通过冷冻处理保留了纤维素-聚丙烯酰胺凝胶的多孔结构，增大了比表面积，使得制备出的纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂具有更高的吸附容量和更优异的吸附效率。

20、2、本发明制备的纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂具有三维网状结构，这一结构赋予了纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂优异的孔隙结构、高比表面积和丰富的吸附位点，从而显著增强了纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂的吸附性能。同时，该纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂还具备良好的机械强度和稳定性，便于在实际应用中的回收和再利用，降低了处理成本，提高了资源利用率。

21、其中，本发明纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂融合了物理吸附、化学吸附以及静电作用多种作用方式。首先，其三维网络结构不仅为亚甲基蓝分子提供了更多的接触机会和吸附路径，还极大地促进了亚甲基蓝分子在纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂内部的快速渗透与扩散，确保了亚甲基蓝分子的高效捕获和稳定固定；其次，微晶纤维素分子链上的羧基官能团和聚丙烯酰胺分子链上富含的酰胺基官能团，在吸附过程中，这些官能团能够与亚甲基蓝分子发生相互作用，通过形成氢键、离子键，显著增强纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂与亚甲基蓝分子的结合力，提高吸附的牢固性和选择性；此外，本发明的纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂还具备显著的电荷特性，其表面电荷与亚甲基蓝分子的电荷之间能够产生强烈的静电吸引或排斥作用，这种作用机制进一步提升了吸附过程的效率，确保了亚甲基蓝分子的高效去除。

22、3、本发明制备的纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂对水环境中亚甲基蓝的吸附能力，当使用0.2g的纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂，亚甲基蓝水溶液的质量浓度为150g/ml时，吸附效率最高。

23、4、本发明提供的纤维素-聚丙烯酰胺凝胶吸附剂的制备方法，原料获取方便且成本低，合成步骤简单，反应条件温和，易于实现工业化生产。