[发明专利]一种吸附重金属离子的水凝胶材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种吸附重金属离子的水凝胶材料及其制备方法，属于环保技术领域。

背景技术

互穿聚合物网络(IPN)的概念首先由美国的Millar提出(Miller J R.Interpenetrating Polymer Networks Styrene-diving Benzene Copolymers with Two and Three Interpenetrating Networks and Their Sulphonates.J Chem Soc，1960，26(3)：1311-1317)，用于描述由两种或多种网络相互贯穿形成的聚合物合金，每种聚合物网络通过化学键的方式各自形成独立的交联网络结构，而网络间不存在化学作用，只是通过聚合物分子链间的纠缠环联在一起。

按照制备方法，IPN材料可以分为顺序IPN和同步IPN。顺序互穿网络是先合成具有交联结构的聚合物网络I，然后把单体II和其交联剂、引发剂溶胀到网络I中，在I里面聚合成网络II。同步互穿网络是将两种单体和它们各自的交联剂混合成共有溶液，然后互不干扰地同时进行聚合反应。

互穿聚合物网络水凝胶可以实现对重金属离子的可控吸附与脱吸附。Kriger等(Kriger AA，Moyer BA，Aalexandratos SD.Synergistic complexation of metal ions with bifunctional interpenetrating polymer networks[J].Reactive polym1994，24(1)：35-39.)制备了乙烯基吡啶/丙烯酸顺序IPN水凝胶，并证实了该顺序互穿网络水凝胶对重金属离子的吸附表现出明显的协同效应。Yamashita等(Yamashita K，Nishimura T，Nango M.Preparation of IPN-type stimuli-responsive heavy-metal-ion adsorbent gel[J].Polym Adv Technol，2003，14(3-5)：189-194.)采用顺序互穿网络的方法制备了聚(N-异丙基丙烯酰胺)/聚丙烯酸钠IPN水凝胶，研究了该IPN水凝胶对重金属离子的刺激-响应吸附行为，并采用热控制方法实现了IPN水凝胶对重金属离子的可控吸附。在低临界溶解温度(LSCT)以下，利用溶胀的IPN水凝胶可以快速吸附废水中的重金属离子；当温度高于LSCT时，吸附重金属离子后的溶胀IPN水凝胶会突然收缩，释放出水而不释放重金属离子。通过酸化处理IPN水凝胶几乎可以完全脱除重金属离子，实现IPN水凝胶吸附剂的回收。唐群委等(唐群委，孙慧，敖海勇.温度敏感聚丙烯酸盐/聚乙二醇互穿网络水凝胶的合成及重金属离子吸收[J].功能材料，2008，39(1)：86-90.)采用两步水溶液聚合法制备了温度敏感聚丙烯酸盐/聚乙二醇顺序IPN水凝胶吸附剂，研究了中和度、温度以及丙烯酸含量对吸附容量的影响。该IPN水凝胶对Ni²⁺、Cr³⁺及Cd²⁺的最高吸附量分别为102.337，49.38与33.408mg/g。Ghanshyam等(Ghanshyam S.Chauhan，Swati Mahajan.Use of novel hydrogels based on modified cellulosics and methacrylamide for separation of metal ions from water systems[J].J Appl Polym Sci 2002，86(3)：667-671)制备了羟丙基纤维素/甲基丙烯酰胺IPN水凝胶，并研究了其对重金属离子的吸附行为。结果表明，该IPN水凝胶对重金属离子的吸附量与组分中甲基丙烯酰胺的含量无关，而是与金属离子的水化能和电荷密度密切相关，吸附量大小的顺序为Fe²⁺＞Cu²⁺》Cr⁶⁺。此外，Jin(Jin L，Bai R.Mechanisms of lead adsorption on chitosan/PVA hydrogel beads[J].Langmuir，2002，18(25)：9765-9770.)和Tang(Tang Q，Wu J，Sun H，et al.Synthesis of polyacrylate/poly(ethylene glycol)hydrogel and its absorption properties for heavy metal ions and dye[J].Polym Compos，2009，30(8)：1183-1189.)等也采用类似的方法制备了顺序互穿网络水凝胶吸附剂，并实现了对重金属离子的可控吸附。上述顺序互穿聚合物网络经历两步聚合网络形成过程，制备工艺复杂。