【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于环境水体中重金属的吸附去除，具体涉及一种玉米秸秆纤维素共聚丙烯酰胺与丙烯酸水凝胶吸附材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、随着工业化的快速推进，水生生态系统中的重金属污染问题日益严重。重金属离子，如镉、铅、铜等，对环境安全构成严峻挑战。这些重金属因其高毒性和持久性，与有机污染物相比，更易于在生态系统中长期积累，甚至在微量浓度下也能对人类健康构成威胁。传统的重金属离子去除方法主要包括化学沉淀、离子交换、化学氧化/还原、反渗透、电渗析和吸附等。在这些方法中，吸附技术因其操作简便、成本效益高、环境友好和可重复使用等优势，已成为处理重金属污染的首选方案。
2、水凝胶作为一种高效的吸附材料，在废水处理领域展现出巨大的应用潜力。这些材料通常具备三维交联网络结构，可通过聚合物链间的物理或化学交联作用形成。水凝胶的操作简便性、可再生性以及生物降解性，使其成为重金属离子处理的理想选择。特别是天然材料，如纤维素，因其丰富的来源、卓越的生物降解性和多样的官能团，正逐渐取代合成材料，成为水凝胶生产的首选原料。水凝胶在有效去除重金属杂质的同时，还能避免吸附材料引发的二次环境污染，其在环境治理中的关键作用不言而喻。在资源日益稀缺和废弃物资源利用率偏低的当下，开发基于天然生物质的高分子材料，对于推动可持续发展具有至关重要的意义。
技术实现思路
1、因此，针对现有技术在处理重金属污染方面的局限性，本专利技术旨在提出一种创新的解决方案，即一种基于玉米秸秆纤维素的共聚丙烯酰胺与丙烯酸水凝胶
2、(1)对玉米秸秆进行预处理，首先在氢氧化钠溶液中进行碱煮处理，然后在次氯酸钠溶液中进行漂白处理。处理完成后，通过过滤、洗涤和干燥步骤，获得纯净的玉米秸秆纤维素。
3、(2)将预处理后的玉米秸秆纤维素溶解在氢氧化钠/尿素/水(碱脲)体系中，形成半透明的纤维素溶液，即反应体系1。
4、(3)将丙烯酸、丙烯酰胺混合于水中，形成均匀的改性溶液，即反应体系2；
5、(4)将反应体系2缓慢加入到反应体系1中，并充分搅拌以确保混合均匀，然后，加入n,n’-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，以及过硫酸钾作为引发剂。
6、(5)将步骤(4)得到的混合溶液在烘箱中加热，以促进凝胶化反应，从而形成水凝胶；
7、(6)将步骤(5)得到的水凝胶进行彻底洗涤，去除未反应的单体。最后，将水凝胶置于烘箱干燥，得到最终的水凝胶吸附材料产品，并进行干燥保存。
8、上述步骤中，进一步改进的，步骤(1)中预处理包括依次进行洗涤、干燥、粉碎。在本专利技术中，洗涤的试剂优选为水，且洗涤次数以有效去除玉米秸秆表面杂质为准。所述烘干的温度优选为60℃，时间不限，烘干即可。所述粉碎的转速优选为30000r/min，时间优选为30s。所述玉米秸秆与氢氧化钠溶液和次氯酸钠溶液的质量体积比为1：(15～20)，氢氧化钠和次氯酸钠水溶液的质量分数均为5～15％，加热温度为50～70℃，加热时间为2～3h。
9、上述步骤中，进一步改进的，步骤(2)中所述氢氧化钠/尿素/水的质量比为(5～7)：(12～15)：(78～83)。
10、上述步骤中，进一步改进的，步骤(2)中所述玉米秸秆纤维素在碱脲溶液中的溶解方法为：将氢氧化钠/尿素/水溶液置于0℃冰水浴下，称取0.5～1.5g玉米秸秆纤维素分散到碱脲溶液中，以600～800r/min的速度迅速搅拌30～40min，以得到半透明的纤维素溶液。
11、上述步骤中，进一步改进的，步骤(3)中所述丙烯酸与所用玉米秸秆纤维素质量比为0.5～1：1，丙烯酰胺与玉米秸秆纤维素的质量比为1～2：1。
12、上述步骤中，进一步改进的，步骤(4)中反应体系1与反应体系2的体积比为1～5：1。
13、上述步骤中，进一步改进的，步骤(4)中交联剂的摩尔量为总单体(丙烯酸和丙烯酰胺)摩尔量的1～2％，引发剂的摩尔量为总单体摩尔量的0.5～1％。
14、上述步骤中，进一步改进的，步骤(5)中所述的加热温度为50～60℃，加热时间为2～3h。
15、上述步骤中，进一步改进的，步骤(6)中所述的干燥温度为60～70℃，干燥时间不做限制，直至水凝胶达到恒重即可。
16、本专利技术的目的还可以采用以下技术方案来实现。根据本专利技术提供了一种玉米秸秆纤维素共聚丙烯酰胺丙烯酸水凝胶吸附材料，其特征在于具有三维多孔结构和优异的吸水膨胀性能，溶胀比高达170.4。该吸附材料含有羟基(-oh)、羧基(-cooh)、羰基(c＝o)和碳氮键(c-n)，并对铅(pb2+)、镉(cd2+)、铜(cu2+)离子表现出显著的吸附能力，最大吸附量分别为434.8mg/g、277.7mg/g、261.8mg/g，所述水凝胶是由上述方法制备得到。
17、本专利技术的目的还可以采用以下技术方案来实现，根据本专利技术提供了一种上述的玉米秸秆纤维素共聚丙烯酰胺丙烯酸水凝胶在重金属离子吸附中的应用。
18、优选的，前述的玉米秸秆纤维素共聚丙烯酰胺丙烯酸的水凝胶在重金属离子吸附的应用中，所述的重金属离子为pb2+、cd2+、cu2+。
19、本专利技术的水凝胶以玉米秸秆纤维素作为骨架，增加了整体的机械强度和抗压能力；同时以丙烯酰胺和丙烯酸作为单体，提供了可供重金属离子吸附的位点；所得的玉米秸秆纤维素共聚丙烯酰胺丙烯酸水凝胶含有大量的羟基和羧基，具有三维多孔结构，对重金属离子具有较强的吸附性能，对铅具有较高的选择性，不会对水体造成二次污染，易于制备且可循环利用，在实际废水处理上具有广阔的应用前景。
20、进一步地，玉米秸秆纤维素由玉米秸秆中提取，实现了废弃物资源的再次利用，降低成本，达到“以废治废”的效果。
21、本专利技术以上述步骤制备的玉米秸秆纤维素共聚丙烯酰胺丙烯酸水凝胶，其具有三维多孔结构，吸水膨胀性能良好，溶胀比为170.4，含有羟基(-oh)、羧基(-cooh)、羰基(c＝o)、碳氮键(c-n)，对pb2+、cd2+、cu2+的最大吸附量分别为434.8mg/g、277.7mg/g、261.8mg/g，经过6次循环后，所开发的吸附材料表现出良好的循环稳定性，其吸附性能几乎未受到显著影响。具体结果显示，第六次循环后，pb2+的吸附量从445mg/g下降至410mg/g，cd2+的吸附量从202mg/g减少至185mg/g，而cu2+的吸附量从150mg/g略降至135mg/g，上述数据表明，材料在循环过程中仍保持了初始吸附容量的约90％。该吸附材料不仅对重金属离子展现出高选择性和优异吸附性能，同时也具备本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.本专利技术涉及一种制备玉米秸秆纤维素基共聚丙烯酰胺和丙烯酸的水凝胶吸附材料的方法，其步骤如下：
2.在权利要求1所述的制备方法中，步骤(1)的预处理进一步包括依次进行洗涤、干燥和粉碎；洗涤过程优选使用水作为试剂，且洗涤次数以有效去除玉米秸秆表面杂质为准；干燥过程在60℃～70℃的温度下进行，直至物料完全干燥；粉碎过程的转速优选为30000r/min，持续时间为30～60s。
3.在权利要求1所述的制备方法中，步骤(1)中，玉米秸秆与氢氧化钠溶液和次氯酸钠溶液的质量体积比优选为1:(15～20)；所述氢氧化钠和次氯酸钠水溶液的质量分数分别为5～15％；加热温度应控制在50℃～70℃，加热时间维持在2～4h。
4.在权利要求1所述的制备方法中，步骤(2)中氢氧化钠/尿素/水的质量比为(5～7):(12～15):(78～83)；所述的玉米秸秆纤维素在体系1中的溶解方法为：将氢氧化钠/尿素/水溶液置于0℃冰水浴中，称取0.5～1.5g纤维素迅速分散到溶液中，以600～800r/min的速度迅速搅拌30～40min，以得到半透明的纤维素溶液。
...【技术特征摘要】
1.本发明涉及一种制备玉米秸秆纤维素基共聚丙烯酰胺和丙烯酸的水凝胶吸附材料的方法，其步骤如下：
2.在权利要求1所述的制备方法中，步骤(1)的预处理进一步包括依次进行洗涤、干燥和粉碎；洗涤过程优选使用水作为试剂，且洗涤次数以有效去除玉米秸秆表面杂质为准；干燥过程在60℃～70℃的温度下进行，直至物料完全干燥；粉碎过程的转速优选为30000r/min，持续时间为30～60s。
3.在权利要求1所述的制备方法中，步骤(1)中，玉米秸秆与氢氧化钠溶液和次氯酸钠溶液的质量体积比优选为1:(15～20)；所述氢氧化钠和次氯酸钠水溶液的质量分数分别为5～15％；加热温度应控制在50℃～70℃，加热时间维持在2～4h。
4.在权利要求1所述的制备方法中，步骤(2)中氢氧化钠/尿素/水的质量比为(5～7):(12～15):(78～83)；所述的玉米秸秆纤维素在体系1中的溶解方法为：将氢氧化钠/尿素/水溶液置于0℃冰水浴中，称取0.5～1.5g纤维素迅速分散到溶液中，以600～800r/min的速度迅速搅拌30～40min，以得到半透明的纤维素溶液。
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【专利技术属性】
技术研发人员：易聪，牛怀远，牛承岗，朱晶晶，李忠武，冯柏超，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：
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