[发明专利]壳聚糖接枝介孔二氧化硅纳米纤维膜制备方法及其应用

说明书

本发明为壳聚糖接枝介孔二氧化硅纳米纤维膜制备方法及其应用，用于吸附水中的重金属材料。本发明以聚乙烯醇和正硅酸乙酯(TEOS)水解液作为纺丝液，静电纺丝得到纳米纤维膜，将纤维膜置于马弗炉中煅烧，得到除去聚乙烯醇的二氧化硅纳米纤维膜。将纤维膜表面涂覆环氧硅烷偶联剂KH‑560后，浸于壳聚糖的丙酮的分散液中10h，得到表面接枝壳聚糖的二氧化硅纳米纤维膜。本发明工艺简单，易于操作，所得纳米纤维膜比表面积大，可回收再利用，具有介孔二氧化硅和壳聚糖双重吸附，能有效吸附水中的重金属离子，在水处理方面具有广阔的前景。

技术领域

本发明属于功能材料和环境工程领域，具体涉及壳聚糖接枝介孔二氧化硅纳米纤维膜的制备。

背景技术

随着全球工业化的不断深入发展，水体污染成为严重的环境问题，废水中含有不可降解的重金属，毒性大，易聚集，对生态环境污染破坏性极大，引起人们的广泛关注。这些重金属离子可通过食物链进入人体，不能排出，在人体富集后，可能会导致基因突变进而增加患癌的风险。此外，重金属离子对人体的消化系统和神经系统会有严重的损伤，使人体的免疫能力下降，危害人体健康。因此，有效除去水中重金属离子变得刻不容缓。

目前水体中重金属的去除方法主要有化学沉淀法、石墨烯吸附、离子交换、电化学法、氧化还原法和液膜法。化学沉淀法存在二次污染、成本高、处理效率低；石墨烯吸附成本较高、回收困难；离子交换能耗高、树脂易被高价态金属氧化失活；电化学法废水处理量小、处理效率低、成本高；氧化还原法，特定的氧化剂增加成本；液膜稳定性差、使用寿命短。因此开发价格低廉，吸附效率高的重金属离子吸附材料成为近年来的研究热点。静电纺丝纳米纤维用于吸附水中的重金属离子近几年受到广泛的研究，因其比表面积大、制备简单、成本低廉、易于分离和可重复利用性能好等优点，受到科研人员的广泛关注。

介孔二氧化硅，由于具有高比表面积、规整的孔道结构等优点，在大分子催化、纳米反应器以及吸附分离等方面具有广阔的应用前景。静电纺丝制备的二氧化硅纳米纤维膜极大地提高了比表面，使得与重金属离子接触面积增大，有效地提高了吸附效率。壳聚糖分子因其骨架较长，且具有大量的氨基和羟基，能和重金属离子发生螯合作用，成为优良的重金属吸附剂，但因为壳聚糖为粉末状固体，不易回收，使其应用收到限制。

发明内容

本发明的目的是针对水环境中重金属离子污染问题，提出了一种壳聚糖接枝介孔二氧化硅纳米纤维膜的制备方法。本发明利用二氧化硅的介孔吸附和壳聚糖分子链上大量氨基和羟基的吸附相结合，达到双重吸附的效果，极大的提高了吸附效率，机械性能和稳定性提高且解决了吸附材料回收困难问题。

本发明采用的技术方案如下：

壳聚糖接枝介孔二氧化硅纳米纤维膜即静电纺丝制备二氧化硅纳米纤维膜，通过环氧硅烷偶联剂KH-560将壳聚糖接枝在二氧化硅纤维表面。

壳聚糖接枝介孔二氧化硅纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)PVA水溶液的制备:称取适量PVA，边搅拌边缓慢加入，溶胀半小时后，升温搅拌至80℃使其充分溶解；

(2)TEOS水解液制备：按比例称取TEOS、水和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，然后取适量NaOH加入试剂瓶，常温下搅拌12h，配置好TEOS水解液；

(3)将PVA水溶液和TEOS水解液按质量比称取混合搅拌10h制备得到纺丝溶液，为了增加纺丝性，加入适量NaCl，之后，注入注射器中进行静电纺丝，得到PVA-SiO₂纳米纤维膜；

(4)将得到的纤维膜置于马弗炉进行煅烧，除去聚乙烯醇和CTAB，得到介孔二氧化硅纳米纤维

(5)最后在得到的纤维膜表面涂覆一层环氧硅烷偶联剂KH-560，之后置于壳聚糖的丙酮分散液中搅拌10h，取出干燥。

作为优选，所述步骤(1)中PVA质量分数为20％。