本发明属于复合材料技术领域，尤其涉及一种可用于吸附染料的竹炭/聚丙烯酸钠复合材料及制备方法。
背景技术：
中国是世界上竹子资源最丰富的国家。竹子种类、竹林面积和竹资源蓄积量均居世界之首，素有“竹子王国”之称。据有关资料表明，全世界竹林总面积约1400万公顷，种类超过850种。中国竹子种类已知有500余种，竹林面积379万公顷。分别占世界竹子种类的近60％、占世界竹林面积的27％。竹子资源作为中国森林资源的组成部分，在林业发展和建设中有着十分重要的作用。近年来，竹炭的研究已经成为竹材研究领域中的一个新热点。竹炭是竹材在高温下热解后的固体产物，由于其发达的内部孔隙结构和较大的比表面积，因此具有很强的吸附能力。竹炭的吸附性能已广泛应用于农业、化工、医药卫生、电子、化妆品、材料、保健品、食品、建筑装潢、环境保护等领域。目前，利用竹炭的吸附性能已开发出环境调湿材料、保健产品、美容美肤材料、土壤改良材料等。但是，通过高温热解得到的竹炭的吸附性能在一定程度上仍然存在局限性，例如竹炭粉末不易成型，比表面积较大的竹炭粉飞灰严重，易被吸入或造成二次污染，同时吸附后回收处理工艺复杂。因此，必须通过某些途径对竹炭进行改进和利用，发挥出竹炭的吸附性能。染料废水特点为碱性强、有机物浓度高、色度高、无机盐含量高、成分复杂、可生化性差、脱色困难等特点，且含有多种具有生物毒性或致癌、致畸形、致突变性能的有机物，难以采用常规方法进行治理。
综上所述，吸附剂一般要具备以下特点：大的比表面、适宜的孔结构及表面结构；对吸附质有强烈的吸附能力；一般不与吸附质和介质发生化学反应；制造方便、容易再生；有极好的吸附性和机械性特性。该技术领域目前存在的问题是：当前吸附剂市场仍以活性炭类吸附剂为主流，以通用广谱类吸附剂为主，专属吸附剂品种不多。活性类是一种广谱类吸附剂，其生产和活化成本相对较高，吸附性能低于高分子聚合物类吸附剂，活性炭吸附性能与成本的性价比较低。聚丙烯酸类聚合物由于其较好的吸附性能，已在农业保水剂、生活卫生用品、园林栽培等方面应用。竹炭是竹林资源综合利用的重要方面，竹炭的吸附性能与其保健功能已受到人们的广泛关注。竹炭作为吸附剂使用时，多以不规则块状和粉末状使用，粉状竹炭比表面积较大但不易成型且粉飞灰严重，易被吸入或造成二次污染，同时吸附后回收处理工艺复杂。因此，将竹炭与聚丙烯钠进行复合，发挥其协同吸附效能，同时兼顾成本控制。该类吸附剂特点显著，可用于吸附各类阳离子型吸附质，例如阳离子型染料、金属离子、有机阳离子等，可作为专属吸附剂开发应用。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可用于吸附染料的竹炭/聚丙烯酸钠复合材料及制备方法。
本发明是这样实现的，一种可用于吸附染料的竹炭/聚丙烯酸钠复合材料，所述可用于吸附染料的竹炭/聚丙烯酸钠复合材料按照质量分数由竹炭、聚丙烯酸钠、引发剂和交联剂组成；
竹炭在复合材料中的质量分数可以为反应物总质量3.0％～20.0％；聚丙烯酸钠在复合材料中的质量分数为反应物总质量75.0％～95.0％；聚丙烯酸钠由丙烯酸与氢氧化钠中和后聚合得到，中和度控制为40.0％～80.0％；引发剂过硫酸铵的质量分数为反应物总质量的0.5％～2.0％；交联剂n-n’亚甲基双丙烯酰铵的质量分数为反应物总质量的0.10％～0.40％；
本发明的另一目的在于提供一种所述可用于吸附染料的竹炭/聚丙烯酸钠复合材料的制备方法，所述可用于吸附染料的竹炭/聚丙烯酸钠复合材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一，竹炭预处理所用试剂为盐酸、氢氧化钾、不同价态盐处理，通常以1:10的固液比搅拌处理1.0h，过滤洗净后干燥备用；
步骤二，在制备时，在氮气保护条件下，依次将竹炭粉、丙烯酸钠、交联剂、引发剂加入四口烧瓶中搅拌，发生聚合反应；
步骤三，反应结束后，将制备的材料烘干、粉粹、过筛，即得到一定颗粒大小的复合材料。
进一步，所述聚合反应条件为：温度60℃～80℃、时间2.0h～4.0h。
本发明的另一目的在于提供一种所述可用于吸附染料的竹炭/聚丙烯酸钠复合材料制备的吸附染料废水材料。
本发明的另一目的在于提供一种所述可用于吸附染料的竹炭/聚丙烯酸钠复合材料制备的吸附有害污染物材料。
本发明的另一目的在于提供一种所述可用于吸附染料的竹炭/聚丙烯酸钠复合材料制备的吸附药物分子材料。
本发明的另一目的在于提供一种所述可用于吸附染料的竹炭/聚丙烯酸钠复合材料制备的吸附氨氮材料。
本发明的优点及积极效果为：利用水溶液聚合法，以丙烯酸钠、竹炭粉(改性竹炭粉)为原料，过硫酸铵为引发剂，n，n-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，制备了一种可用于吸附染料的竹炭/聚丙烯酸钠复合材料。结果表明，本发明的复合材料对染料亚甲基蓝具有较好的吸附效果，与聚丙酸钠复合后，对母液浓度为2400mg/l的亚甲基蓝溶液吸附达2190mg/g。通过对吸附行为的动力学和热力学研究发现，该复合吸附材料吸附过程受热力学影响比较显著，随温度身高吸附量增加；且该复合吸附材料具有快速吸附亚甲基蓝染料的特点，当吸附时间为10～30min时，其吸附量已为其饱和吸附量的近90.0％；该复合材料吸附方式以化学吸附为主。从上述研究结果可以看出，在该发明中，将竹炭与聚丙烯酸钠进行复合，能够发挥出协同吸附效果，制备了一种可用于吸附染料的竹炭/聚丙烯酸钠复合材料，为竹炭资源的综合利用和有机-无机复合吸附剂的产品开发提供了途径。
附图说明
图1是本发明实施例提供的可用于吸附染料的竹炭/聚丙烯酸钠复合材料的制备方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
本发明实施例提供的可用于吸附染料的竹炭/聚丙烯酸钠复合材料按照质量分数：竹炭在复合材料中的质量分数可以为反应物总质量(不含水，以下同)3.0％～20.0％；聚丙烯酸钠在复合材料中的质量分数为反应物总质量75.0％～95.0％；聚丙烯酸钠由丙烯酸与氢氧化钠中和后聚合得到，中和度控制为40.0％～80.0％；引发剂过硫酸铵的质量分数为反应物总质量的0.5％～2.0％；交联剂n-n’亚甲基双丙烯酰铵的质量分数为反应物总质量的0.10％～0.40％；
如图1所示，本发明实施例提供的可用于吸附染料的竹炭/聚丙烯酸钠复合材料的制备方法包括以下步骤：
s101：竹炭预处理所用试剂为一定浓度的盐酸(酸处理)、氢氧化钾(碱处理)、不同价态盐处理，通常以1:10的固液比搅拌处理1.0h，过滤洗净后干燥备用；
s102：在制备时，在氮气保护条件下，依次将一定量的竹炭粉、丙烯酸钠、交联剂、引发剂加入四口烧瓶中搅拌，发生聚合反应；
s103：反应结束后，将制备的材料烘干、粉粹、过筛，即得到一定颗粒大小的复合材料，可用于吸附染料性能的测试。
聚合反应条件的控制为：温度60℃～80℃、时间2.0h～4.0h。
本发明利用预处理过的竹炭粉为原料，加入经氢氧化钠中和的丙烯酸钠，然后以n-n’亚甲基双丙烯酰铵(mba)为交联剂，并以过硫酸铵(aps)为引发剂，在亲水性的环境中，制备出了一种竹炭/聚丙烯酸钠复合材料。并通过改变不同改性的竹炭在复合材料中的含量、丙烯酸中和度、交联剂含量、染料初始浓度、吸附染料时间与温度等影响因素，探讨其对该复合材料对复合材料吸水、吸亚甲基蓝染料性能的影响。
1、通过红外表征和sem分析，证明竹炭/聚丙烯酸钠复合材料被成功制备，且该复合材料是一种多孔、复合均匀的材料。
2、随着竹炭用量从0wt％到20wt％，复合材料的吸蒸馏水倍率由170.58g/g先上升到436.44g/g，后逐步降低到138.37g/g，整个曲线呈现抛物线形式。说明竹炭的引入对吸附材料吸水性能有改善作用，能够提高其对蒸馏水的吸附性能。原因在于加入竹炭后与聚丙烯酸钠形成了更加规整的三维结构，竹炭含量的增加有助于形成这样的结构，而当竹炭含量过大时，三维结构被过多的竹炭堵塞，不利于提高复合材料的吸附性能。
3、随着交联剂mba含量的增加，该复合材料吸附亚甲基蓝倍率变化不大；而吸水性能先升高后降低。这是由于染料分子的电荷性质所决定的，从亚甲基染料的结构式可以看出，亚甲基蓝为阳离子型染料，而复合吸附材料的聚合物网络中存在大量coo－，因此与亚甲基蓝染料分子发生静电吸附。实验中，该复合材料在阴离子型染料刚果红溶液中时几乎不发生吸附，与刚果红染料分子发生静电排斥，也验证了这一结果。
4、通过对复合材料吸附亚甲基蓝溶液性能测试可以得出，本发明中制备的竹炭/聚丙烯酸钠复合材料对阳离子型染料亚甲基蓝有较好的吸附作用。
当在复合材料中引入以fecl3盐溶液改性的竹炭粉且含量为10wt％、丙烯酸中和度为80.0％时，制备的复合吸附材料性能良好，对母液浓度为2400mg/l的亚甲基蓝溶液吸附达2190mg/g。通过对吸附行为的动力学和热力学研究发现，该复合吸附材料吸附过程受热力学影响比较显著，随温度身高吸附量增加；且该复合吸附材料具有快速吸附亚甲基蓝染料的特点，当吸附时间为10～30min时，其吸附量已为其饱和吸附量的近90.0％；该复合材料吸附方式以化学吸附为主。
5、从竹炭预处理试剂对吸附染料效果来看，三价盐处理(alcl3、fecl3)＞酸处理＞碱处理。
目前，对本发明中提及的竹炭/聚丙烯酸钠复合吸附材料暂无研究和专利报道，故本技术发明有一定的创新价值。该类吸附材料还有望在吸附染料废水等有毒、有害污染物、吸附药物分子、吸附氨氮等领域进行开发和应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。