聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维及其合成方法和应用与流程

本发明属于化学
技术领域：
，具体涉及到一种聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维及其合成方法和应用。
背景技术：
：铬元素常见的化合价有+2，+3和+6价，在含铬废水中主要含有六价铬，其毒性远远超过三价铬。植物吸收过量cr(ⅵ)后，会导致种子萌发率降低，光合作用异常并引发诱变。当人食用了cr(ⅵ)超标的蔬菜、粮食等食品，体内cr(ⅵ)超标后，可引发癌症。同时cr(ⅵ)也会通过粘膜和皮肤被人体吸收，蓄积在肺、肾和脾中，骨骼中也会存在。在2006版的《生活饮用水卫生标准》中规定，饮用水中cr(ⅵ)含量不得超过0.05mg/l。由于铬产品的广泛应用，大量含铬废水、废气、废渣被排放，全国历年堆积含铬废渣600万吨，80％以上都不能得到妥善处理，行业年排放含铬废水40亿立方米以上，其中一半未达到国家排放标准，其危害性不能忽视。吸附材料可以吸附水中的重金属，一个良好的分离富集材料需要符合吸附速度快，选择性好，洗脱率高这三点要求。螯合纤维是指具有配位功能的纤维，将含有n、o、p、s等元素的配体接枝在纤维上，这些原子能够与重金属离子的配位从而吸附重金属离子。常见的功能纤维母体有聚丙烯腈纤维、聚氨酯纤维、聚乙烯醇纤维、纤维素纤维等。由于纤维的直径小、比表面积大；其特殊的物理形态使其与吸附质有较大的接触面积与较小流体阻力，不仅吸附速率快，容量大，而且容易脱附，对于痕量重金属离子的吸附也十分有效。因此，螯合纤维材料在分离富集重金属方面具有很强的应用性。常规的螯合纤维制备方法有传统加热法和辐照接枝法，目前传统加热法的使用比较普遍，使用水浴、油浴或电热套将反应物和溶剂共同加热搅拌，这种方法的合成时间普遍较长，会消耗相对多的水和电。辐照接枝法是利用高能辐射对纤维母体照射，在母体骨架上形成若干活性点，然后将配体通过接枝反应与纤维结合，但辐照法对仪器要求很高，价格昂贵。微波辅助法是制备螯合纤维的一种新方法，微波指频率为0.3～300ghz的电磁波，波长范围为1mm～1m。微波本身无法引起化学键破坏，但可以对极性物质加热，使极性分子重新排列，由于分子间摩擦和介电消耗，将电能转化为热能，从而实现对反应体系的内部和整体加热，升温更迅速，令反应时间大大缩短。目前，大部分螯合纤维的制备步骤较多，缺乏更简单的制备方案。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是提供一种聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维及其合成方法和应用。为了解决上述技术问题，本发明提供一种聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维，其结构式如下：本发明还同时提供了上述聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维的合成方法，包括以下步骤：1)、以聚丙烯腈纤维为母体，以5-氨基-2-甲氧基吡啶作为配体；在溶剂中加入聚丙烯腈纤维、5-氨基-2-甲氧基吡啶和碳酸钠，于微波条件下加热至110～140℃搅拌反应5～20min；每50mg的聚丙烯腈纤维配用0.6～1.2ml的5-氨基-2-甲氧基吡啶；聚丙烯腈纤维的功能基-c≡n：碳酸钠＝1:1～4的摩尔比；2)、将步骤1)反应所得的聚合物用去离子水冲洗，干燥(例如50℃烘干)，得到聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维。说明：步骤1)反应所得物过滤，所得滤饼为聚合物。作为本发明的聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维的合成方法的改进：所述步骤1)中，溶剂为乙二醇，聚丙烯腈纤维与乙二醇的料液比为50.0mg/(15±5)ml。作为本发明的聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维的合成方法的进一步改进：所述步骤1)中，微波功率为400～1000w，搅拌速度为(300±50)rpm/min。每50mg聚丙烯腈纤维作为原料时，可依据上述工艺参数。作为本发明的聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维的合成方法的进一步改进，所述步骤1)中：每50mg的聚丙烯腈纤维配用1ml的5-氨基-2-甲氧基吡啶；聚丙烯腈纤维的功能基-c≡n：碳酸钠＝1:2的摩尔比；微波功率600w，温度140℃，时间20min。本发明还同时提供了上述聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维的用途：选择性吸附cr(ⅵ)。作为本发明用途的改进：用于处理含cr(ⅵ)废水。作为本发明用途的进一步改进：解吸剂为4mol/l的盐酸。本发明的合成路线如下：本发明一步法制备了聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维，使其能有效地选择吸附cr(ⅵ)，吸附效果好，解吸效果好，能应用于处理污水中的cr(ⅵ)。本发明具有如下技术优势：(1)本发明所合成的化合物为新化合物；(2)本发明采用微波辅助一步法制备，合成方法简单，速度快，副产物少；(3)本发明合成的聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维对cr(ⅵ)有较好的吸附选择性，吸附速度快，吸附量大，解吸效果好，热稳定性好等优势。(4)本发明合成的聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维对去除含cr(ⅵ)废水中的cr(ⅵ)有良好的技术效果。附图说明下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。图1是聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维、以及丙烯腈纤维、5-氨基-2-甲氧基吡啶的红外光谱图；图2是聚丙烯腈纤维和聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维的热重曲线图；图3是反应温度对聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维吸附量的影响；图4是反应时间对聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维吸附量的影响；图5是聚丙烯腈纤维质量：配体体积比(mg:ml)对聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维吸附量的影响；图6是微波功率对聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维吸附量的影响；图7是碳酸钠用量对聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维吸附量的影响；图8是聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维的选择性吸附效果；图9是聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维的不同接触时间的吸附效果；图10是金属离子cr(ⅵ)初始浓度对聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维吸附量的影响；图11是聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维在不同浓度含cr(ⅵ)溶液中的去除率。图12是xps分析结果图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：实施例1、一种聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维的合成方法，包括以下步骤：1)、称取50.0mg(含0.855mmol-c≡n基)作为母体的聚丙烯腈纤维(pan)，1ml的作为配体的5-氨基-2-甲氧基吡啶(famp)、1.71mmol碳酸钠，依次加入到三颈烧瓶中，再加入15ml乙二醇，转移到微波合成工作站。即，聚丙烯腈纤维：5-氨基-2-甲氧基吡啶＝50.0mg：1ml的比例；聚丙烯腈纤维的功能基-c≡n：碳酸钠＝1:2的摩尔比；设定微波功率600w，温度140℃，时间20min，并控制转子以300rpm/min的速度搅拌。2)、反应结束后，待三颈烧瓶冷却至室温，将纤维取出(即，过滤，取滤饼为聚合物)放到砂芯漏斗上，加去离子水反复抽滤至液体(即，所得洗涤液)澄清，以洗去表面残留的配体和碳酸钠，后置于50℃真空干燥箱中烘干至恒重，得到聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维(pan-famp)。聚丙烯腈基-5-氨基-2-甲氧基吡啶螯合纤维(pan-famp)的结构式为：用傅里叶红外光谱仪对所合成的新化合物pan-famp进行了结构表征，图1是pan纤维和pan-famp纤维以及配体famp的红外光谱图。如图1所示，合成后的pan-famp功能纤维与聚丙烯腈纤维相比，合成后的改性纤维在2243cm-1处的-c≡n键的吸收峰明显减弱，800cm-1到1700cm-1出现属于famp上基团的峰；pan-famp功能纤维与配体famp相比，均出现了1274cm-1的-c-o-的伸缩振动峰，1654cm-1处的c＝c的伸缩振动峰，1617cm-1处吡啶环的-c＝n伸缩谱带，741cm-1处的c-h面外变形振动峰，都说明配体famp成功与聚丙烯腈结合，同样pan-famp在3414cm-1处由一个大而宽的峰，证明纤维中不含游离的配体。综上可以认定配体5-氨基-2-甲氧基吡啶成功与聚丙烯腈纤维反应合成了pan-famp。图2是pan、pan-famp的热重曲线图。如图2的热重曲线图所示，pan的裂解失重主要分为3个阶段，其中260～340℃为第1阶段，340～400℃为第2阶段，400～500℃为第3阶段。第1、2阶段的失重主要由于氰基分解产生的氨气，以及-c≡n与-ch2反应脱除的氰化氢散失，第3阶段是由于纤维的炭化反应和持续散失的氰化氢，以及少许甲烷和氢气的释放。pan-famp的第1阶段几乎消失，说明剩余的氰基很少；第2阶段失重在330～500℃，与pan类似，与分子链的炭化反应有关。热重分析表明，pan-famp具有良好的热稳定性，可以达到100℃以上的工作温度，满足吸附应用要求。实验1、静态吸附实验(1)选择性吸附称取实施例1合成的pan-famp纤维10mg，加入到20ml溶液中，该溶液中含有浓度均为100mg/l的cr(ⅵ)、cu(ⅱ)、zn(ⅱ)、ni(ⅱ)、cd(ⅱ)，用0.1mol/lhcl溶液和naoh溶液调节溶液ph为1-6，25℃下进行吸附实验，吸附24小时后测定其吸附量，同时做平行实验。吸附量计算方式如公式(1)所示。式中q(mg/g)为功能纤维吸附量，c0(mg/l)为对照组(即，不含pan-famp纤维，其余同上)的金属离子浓度，ce为吸附后溶液中的金属离子浓度，v(ml)为溶液体积，m(mg)为纤维质量。实验结果如图8所示，pan-famp纤维在ph＝2时取得最大吸附量，为148.13mg/g，然后随着ph的增加，吸附量快速减少。在低ph条件下，纤维表面的n原子被h+质子化，由于静电吸引，带负电荷的hcro4-和cr2o72-很容易被吸附到带正电荷的纤维上。溶液ph＝2时，pan-famp对cr(ⅵ)的吸附量高于ph＝1时的吸附量，这是因为在ph＝1时，cr(ⅵ)离子主要以h2cro4和cr2o72-的形式存在，需要2个单位活性位点吸附1个单位的cr2o72-，而在ph＝2时，cr(ⅵ)离子主要以hcro4-为主，只需要1个单位的活性位点，所以ph＝2时吸附量高于ph＝1。在较高ph值下，吸附量的降低是由于纤维的氮原子去质子化以及反应溶液中存在的oh-离子与cro42-离子之间的竞争吸附，使吸附量不断降低。所以选取ph＝2为pan-famp纤维对cr(ⅵ)吸附的最佳ph。(2)接触时间对吸附量的影响称取3份实施例1合成的pan-famp纤维，每份20mg，分别加入到40ml金属离子cr(ⅵ)浓度为100mg/l的ph＝2的溶液中，分别在15℃、25℃、35℃条件下进行吸附实验，每隔一定时间吸取1ml溶液到5ml小试管中，加去离子水稀释到2ml，测定每个点的吸附量。实验结果如图9所示，pan-famp的吸附量先随时间快速增加，然后逐渐趋于平缓，平衡时间约为30min。在吸附初始阶段，纤维上的活性位点最多，金属离子迅速在纤维表面薄液层中扩散，与活性位点结合，并且较高的浓度差也会促进吸附作用，此时的吸附速率最大；随着时间的增长，金属离子浓度降低，大量活性位点被占据，已经吸附的金属离子会对后来的金属离子产生静电排斥，金属离子在吸附剂内的扩散也被配位原子与金属离子形成的螯合物阻挡，吸附速率降低并最终达到吸附平衡。同时可以发现，当温度越高时吸附量也越高，这是因为升温能使纤维表面的薄液层变薄，降低吸附传质阻力，同时活性位点也随温度增加，使金属离子更容易被吸附。(3)初始浓度对吸附量的影响称取10份实施例1合成的pan-famp纤维，每份10mg，分别加入到20ml金属离子cr(ⅵ)浓度为20、30、40、60、80、100、200、300、400、500mg/l的ph＝2的溶液中，在25℃条件下吸附24h，测定其吸附量。同时做15℃和35℃条件下的实验。实验结果如图10所示，在相同的温度下，纤维吸附量随初始浓度的上升而上升，这是由于固液表面的浓度差对金属离子的驱动力，使得其更容易扩散至纤维表面，浓度越高这种驱动力就越大。而且在高浓度下，活性位点被占据的更多，直到活性位点吸附饱和，吸附量便不再增加。实施例2、将实施例1中反应温度由140℃改为110℃、120℃、130℃，其余等同于实施例1。按照上述实验1(1)的方式进行检测，得到的反应温度对纤维吸附量的影响如图3所示。由图3可知，在实验温度范围内，功能纤维的吸附量随温度的上升而增加，这是因为在较高的温度下，纤维的溶胀度较高，有更多的配体可以扩散到pan纤维的内部，与氰基进行反应，使得转化率更高。实施例3、将实施例1中反应时间改为5min、10min、15min，其余等同于实施例1。按照上述实验1(1)的方式进行检测，得到的反应时间对纤维吸附量的影响如图4所示。由图4可知，纤维的吸附量随着反应时间的增长而增长，这是因为反应物之间的接触时间变长，反应更加充分，但过长的反应时间也会使纤维吸收大量热，时间超过20min，纤维即断裂成细小的粉末状态。实施例4、将实施例1中聚丙烯腈纤维：配体的质量/体积比由50mg:1ml改为50mg:0.6ml、50mg:0.8ml、50mg:1.2ml，其余等同于实施例1。按照上述实验1(1)的方式进行检测，得到的反应摩尔比对纤维吸附量的影响如图5所示。由图5可知，配体的加入量影响着纤维的吸附量，配体越多，与氰基的接触机会也就越高，当然而过多的配体会导致pan纤维断裂结块，吸附量也大大减少。实施例5、将实施例1中微波功率由600w改为400w、800w、1000w，其余等同于实施例1。按照上述实验1(1)的方式进行检测，得到的微波功率对纤维吸附量的影响如图6所示。由图6可知，随着微波功率增加，吸附量也随之增加，选择大功率的微波可以使极性分子加速振动，温度快速提升，同时提高微波功率也可以促进pan纤维的分子链结晶区的破坏，有利于配体进入纤维内部与氰基反应。但是，功率过大，反而导致效果的下降。实施例6、将实施例1中反应摩尔比(碳酸钠：母体聚丙烯腈纤维的功能基-c≡n)由2改为1、3、4，其余等同于实施例1。按照上述实验1(1)的方式进行检测，得到的碳酸钠摩尔比对纤维吸附量的影响如图7所示。由图7可知，碳酸钠可以促进聚丙烯腈的水解，提高反应效率，但过量的碳酸钠也会使聚丙烯腈纤维变性，所以选择摩尔比为2的碳酸钠添加量作为最佳添加量。对比例1、将实施例1中配体(5-氨基-2-甲氧基吡啶)改为磺胺吡啶、对氨基苯磺酸、二苯氨基脲、盐酸硫胺，合成条件参照实施例1，按照上述实验1(1)的方式进行检测，得到的纤维对cr(ⅵ)的吸附量如表1所示。根据表1所知，pan纤维与磺胺吡啶、对氨基苯磺酸、二苯氨基脲、盐酸硫胺在微波条件下合成的产物对cr(ⅵ)基本没有吸附力，这说明并不是任何含有氨基的配体都可以成功接枝于pan纤维上的。表1、不同配体与pan纤维合成产物对cr(ⅵ)的吸附量配体q(mg/g)5-氨基-2-甲氧基吡啶148.13磺胺吡啶5.37对氨基苯磺酸7.82二苯氨基脲4.78盐酸硫胺3.98实验2、静态解吸实验：称取多份实施例1合成的pan-famp纤维，每份10mg，分别加入到20ml金属离子cr(ⅵ)浓度为100mg/l的ph＝2的溶液中，吸附3h，测定其剩余金属离子浓度，然后将纤维用去离子水洗涤多次，烘干；然后将烘干后的纤维放入不同的解吸剂中，25℃恒温振荡1h，测定解吸剂中的金属离子浓度，解吸后的纤维取出洗涤烘干，重复进行吸附解吸实验。解吸率计算公式如式(2)：式中e(％)为解吸率，c0(mg/l)为空白对照组金属离子浓度，c1为吸附后剩余金属离子浓度，c2为解吸剂中金属离子浓度。实验结果如表2所示表2解吸剂对解吸率的影响当盐酸浓度为4mol/l时，解吸率达到76.21％。实验3、pan-famp去除含cr(ⅵ)废水中cr(ⅵ)的应用：准确称取300mg剪碎的螯合纤维pan-famp，装入到φ3mm×30cm的动态吸附柱中，在柱的底端和顶端分别塞上棉花，将20ml不同初始浓度的含cr(ⅵ)溶液以1.0ml/min的流速过柱，用icp-aes测量流出溶液中cr(ⅵ)的浓度，计算去除率，去除率计算公式如式(3)：其中r(％)为去除率，c0为初始浓度，ct为流出液浓度，结果如图11所示：由图11所示，pan-famp具有良好的去除含cr(ⅵ)废水中cr(ⅵ)的性能，在5mg/l的含cr(ⅵ)废水中去除率达到99.9％。实验4、将实施例1中合成的pan-famp纤维和吸附cr(ⅵ)之后的pan-famp纤维进行xps分析，xps分析结果如图12所示。由图12所示，图(a)是pan-famp纤维的xps宽谱，可以看到吸附后的纤维检测到了cr元素存在，说明纤维已经成功吸附了溶液中的cr(ⅵ)。图(b)是pan-famp纤维的c1s谱图，观察到三个结合能为284.82ev、287.05ev和289.58ev的峰，分别对应基团c-c/c-h、c-n/c-o和c＝o。吸附后的纤维的c1s图观察到结合能284.78ev、286.49ev和288.52ev，相比吸附前的结合能均降低，表明官能团与cr(ⅵ)的吸附有关。图(c)是pan-famp纤维的n1s谱图，399.26ev和402.07ev分别对应-n-h和c-n基团。吸附后纤维的-n-h含量降低到26.37％，-c-n+峰比例明显升高，同时-nh+的新峰出现在401.35ev，-nh+由-c＝nh质子化所得，而-c-n+可能由配体上的吡啶n或者c-n-c质子化所得，它们与溶液中的铬酸根离子发生螯合作用，同时质子化的氨基对带负电的铬酸根离子也有一定的吸附作用。图(d)是pan-famp纤维的o1s谱图，532.83ev和535.96ev分别对应c-o和c-o-c/c＝o的峰，吸附后纤维的o1s图中观察到c-o含量减少，c-o-c/c＝o的含量增加，表明o原子与cr(ⅵ)络合。为进一步探究纤维对铬离子的吸附作用，观察吸附金属后纤维的cr2p图。图(e)是pan-famp纤维的cr2p谱图：检测到的结合能577.16ev、579.24ev、586.72ev和588.40ev分别对应基团cr(oh)3、cro42-、cr2o42-和cr2o72-，除了检测到cr(ⅵ)以外还检测到cr(ⅲ)，而整个反应过程中没有cr(ⅲ)的加入，表明在吸附金属时有一部分的cr(ⅵ)被还原成cr(ⅲ)。一部分的cr(ⅲ)与溶液中的oh-相结合生成cr(oh)3吸附在纤维表面。可上所述，改性纤维对铬离子吸附主要是由于n、o原子和铬酸根离子的螯合作用，同时离子交换作用和纤维对cr(oh)3的吸附作用也促进了纤维对铬离子的吸附。最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。当前第1页12