[发明专利]羧甲基纤维素离子插层类水滑石复合材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于无机-有机复合功能材料制备技术领域，具体涉及一种羧甲基纤维素离子插层类水滑石复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着经济社会的发展，当前环境污染成为人类面临的重大挑战，各种水体污染不断加剧，造成生态环境的不断恶化，严重影响着人们的健康和生活质量。其中，硼作为一种重要的化工原料，实际应用广泛，但含硼废水排放产生的硼污染亟待解决。目前，可用于分离去除溶液中硼的吸附剂主要可分为无机吸附剂、有机高分子吸附剂和有机/无机杂化硼吸附剂三种。无机硼吸附剂具有牢固的结构、良好的热稳定性和较低的制备成本，但对硼的吸附容量较低且不具有特效选择性，易受共存离子的影响。有机吸附剂以N-甲基葡萄糖胺为吸附官能团对硼具有特效专一性和较高的吸附容量，但由于其结构上的特殊性及水不溶性，使其在实际应用中显现出机械性能和亲水性差等缺陷，严重影响了其性能的发挥。现在迫切需要找到一种或一类具有高稳定性、选择性高、成本低廉和高效快速的吸附剂来实现硼的高效去除是当前吸附法除硼研究的热点和难点。复合化是现代材料发展的趋势，通过多种材料功能的复合实现性能互补和优化，其中有机/无机杂化材料是复合材料家族中最耀眼的新星。国内外学者试图通过将邻羟基化合物负载或接枝于介孔材料或硅胶上制备有机/无机杂化硼吸附剂。

纤维素是地球上最古老最丰富的天然高分子，是取之不尽，用之不竭的人类最宝贵的天然可再生资源。羧甲基纤维素（CMC）是以天然纤维素为基本原料，是当今世界上使用范围最广、用量最大的纤维素种类。它成本低廉，经过碱化、醚化反应而生成的一种电解质聚合物。由于羧甲基纤维素分子内含有许多亲水性的羟基和羰基，因此对金属离子和染料具有一定的吸附性。但其吸附离子的能力并不强，必须通过化学改性使其具有更多或更强的亲水基团，以期降低成本、改善性能，使其成为性能良好的吸附材料。

类水滑石（LDHs），作为一类具有层状结构的双金属氢氧化物，因其具有可调变的组成、极高的表面吸附性能和独特的热稳定性等优点引起了研究学者的广泛关注。当LDHs层间离子为CO₃^2-、NO₃^-和Cl^-等无机离子时，可将水滑石用于吸附溶液中的硼，但吸附容量不高。在类水滑石层间，插入酒石酸、柠檬酸和苹果酸等有机酸可用于吸附水中的金属离子。已有报道将有机物引入类水滑石层间可以制备出许多与前体相比具有特殊性能的功能材料。

将富含邻羟基的羧甲基纤维素离子插层到类水滑石层间制备出的新型有机/无机杂化硼吸附剂将会取得非常有意义的结果。一方面类水滑石层间由于羧甲基纤维素的引入，不仅可以作为吸附活性中心对硼产生选择性吸附，而且可改善材料的界面极性和化学微环境，使层间距增大，降低表面能，吸附能力可显著增强；另一方面由于类水滑石无机材料基体的引入，可以使得该吸附材料具有较高的机械稳定性和热稳定性，并有利于再生及循环利用。再加上类水滑石和羧甲基纤维素这两种原料来源广泛，成本低，且环境相容性好，使得该类吸附剂将具有广阔的应用前景。然而，目前还未见有关于羧甲基纤维素阴离子插层类水滑石的制备及其吸附硼的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低廉、制作方便的羧甲基纤维素插层类水滑石复合材料，该材料环境友好，热稳定性和机械稳定性高，在常温下对硼的吸附容量高，可用于水体中硼的分离去除。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明的类水滑石复合材料采用煅烧插层法，将富含邻羟基的羧甲基纤维素阴离子插层组装到类水滑石层间而制备出具有典型层片状结构的类水滑石复合材料，该产品具有热稳定性和机械稳定性高、环境友好等特点，且制备工艺简单，容易实现工业化。该种有机-无机复合材料中的大量邻羟基基团可对硼起到螯合吸附作用，可用于废水和海水淡化中硼的分离吸附。该种羧甲基纤维素阴离子插层类水滑石材料与现有硼吸附剂如除硼树脂等相比，不仅机械强度大、制备成本低、硼吸附容量高，而且对溶液中的硼有显著的特效吸附作用，有望作为一种新型的硼特效吸附材料在工业上得到应用。

本发明所述的一种羧甲基纤维素离子插层类水滑石复合材料的化学通式为