本发明涉及一种气凝胶的制备方法和应用。
背景技术
现如今，水污染问题得到广泛的关注，其中染料污染产生的废水成为水污染的重要来源之一。传统的处理染料废水常用的方法主要可分为化学法、物理法和生物法等，其中，化学法存在处理工艺复杂、成本高而生物法存在处理效率低且脱色范围单一等缺点，物理法主要包括膜分离和吸附法，膜分离方法成本高且膜易受到外界的污染。应用作为广泛的是吸附法，常用的几类吸附剂例如活性炭、黏土矿物类、生物类吸附剂等吸附效率低、成本高，吸附率约为80％～95％。所以，开发一种新型的吸附效率高、成本低、环保的吸附剂将成为未来的发展趋势。
技术实现要素：
本发明的目的是要解决现有处理阳离子染料污水的方法处理效率低，吸附率低和成本高的问题，而提供一种细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法和应用。
一种细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、制备细菌纤维素悬浮液：
将细菌纤维素浸泡在质量分数为2％～5％的氢氧化钠溶液中1h～4h，取出后使用蒸馏水对细菌纤维素进行清洗，直至清洗液为中性，得到清除掉表面杂质的细菌纤维素；向清除掉表面杂质的细菌纤维素中加入蒸馏水，再使用打浆机在15000r/min～20000r/min的转速下粉碎0.5h～1h，得到浓度为5mg/g～9mg/g的细菌纤维素悬浮液；
二、制备芳纶纳米纤维溶液：
将芳纶纳米纤维和氢氧化钾溶于二甲基亚砜中，再在室温和搅拌速度为200r/min～1500r/min下搅拌反应5天～7天，得到深红色的芳纶纳米纤维溶液；
步骤二中所述的深红色的芳纶纳米纤维溶液中芳纶纳米纤维的浓度为0.5mg/ml～5mg/ml；
步骤二中所述的芳纶纳米纤维与氢氧化钾的质量比为1:(1～2)；
三、混合：
在室温和搅拌速度为200r/min～2000r/min的条件下，将浓度为5mg/g～9mg/g的细菌纤维素悬浮液以0.2mg/ml～0.8mg/ml的滴加速度滴加到深红色的芳纶纳米纤维溶液中，再加入蒸馏水，再在搅拌速度为200r/min～2000r/min下磁力搅拌120min～240min，得到凝胶；
步骤三中所述的凝胶中芳纶纳米纤维与细菌纤维素的质量比为1:(0.1～2.5)；
步骤三中所述的浓度为5mg/g～9mg/g的细菌纤维素悬浮液与蒸馏水的质量比为1:(110～200)；
四、减压抽滤：
将步骤三得到的凝胶加入到布氏漏斗中，然后在真空度为0.07mpa～0.09mpa下减压抽滤，得到细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合凝胶；
步骤四中所述的布氏漏斗上滤纸的孔径为3μm～50μm；
五、冷冻干燥：
将细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合凝胶放入温度为-18℃～-22℃下冷冻成型，再放入温度为-45℃～-60℃的冷冻干燥机中冷冻干燥36h～72h，得到细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶。
一种细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶用于吸附阳离子染料。
本发明的原理及优点：
一、本发明制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶具有超轻、多孔、比表面积大和吸附能力强的优点，比表面积为300m2/g～800m2/g；
二、本发明制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶为选择性吸附阳离子染料的纳米气凝胶；细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶用于吸附阳离子染料，阳离子染料的去色率达到90％以上；(去色率：染料溶液吸附前后吸收光谱最强峰变化的百分比，即
三、本发明制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶对阳离子染料有很好的吸附效果，具体是对亚甲基蓝溶液的吸附，去色率可达到90％。同时对比吸附了甲基橙溶液(阴离子染料)，结果是对甲基橙溶液去色率很低，因此，本发明制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶能实现对染料的选择性吸附，可以实现废水中的阳离子染料和阴离子染料的粗分离；
四、本发明方法简单，绿色环保，成本低廉，与现有方法相比，处理阳离子染料废水的成本大大降低。
本发明可获得细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶。
附图说明
图1为实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶的数码照片；
图2为实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶的低倍sem图；
图3为实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶的高倍sem图；
图4为实施例二中配制的亚甲基蓝溶液的数码照片图；
图5为实施例二中配制的亚甲基蓝溶液的紫外吸收光谱图；
图6为实施例二中利用实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶吸附实施例二中配制的亚甲基蓝溶液24h后的数码照片图；
图7为实施例二中利用实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶吸附实施例二中配制的亚甲基蓝溶液24h后的紫外吸收光谱图；
图8为实施例三中配制的亚甲基蓝溶液和甲基橙溶液的数码照片图，图中1为亚甲基蓝溶液，2为甲基橙溶液；
图9为实施例三中配制的亚甲基蓝溶液和甲基橙溶液的紫外吸收光谱图，图中1为亚甲基蓝溶液，2为甲基橙溶液；
图10为实施例三中利用实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶吸附实施例三中配制的亚甲基蓝溶液和甲基橙溶液24h后的数码照片图，图中1为亚甲基蓝溶液，2为甲基橙溶液；
图11为实施例三中利用实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶吸附实施例三中配制的亚甲基蓝溶液和甲基橙溶液24h后的紫外吸收光谱图，图中1为亚甲基蓝溶液，2为甲基橙溶液；
图12为实施例四中配制的亚甲基蓝溶液与甲基橙溶液的混合溶液的数码照片图；
图13为实施例四中配制的亚甲基蓝溶液与甲基橙溶液的混合溶液的紫外吸收光谱图；
图14为实施例四中利用实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶吸附实施例四中配制的亚甲基蓝溶液与甲基橙溶液的混合溶液24h后的数码照片图；
图15为实施例四中利用实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶吸附实施例四中配制的亚甲基蓝溶液与甲基橙溶液的混合溶液24h后的紫外吸收光谱图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法具体是按以下步骤完成的：
一、制备细菌纤维素悬浮液：
将细菌纤维素浸泡在质量分数为2％～5％的氢氧化钠溶液中1h～4h，取出后使用蒸馏水对细菌纤维素进行清洗，直至清洗液为中性，得到清除掉表面杂质的细菌纤维素；向清除掉表面杂质的细菌纤维素中加入蒸馏水，再使用打浆机在15000r/min～20000r/min的转速下粉碎0.5h～1h，得到浓度为5mg/g～9mg/g的细菌纤维素悬浮液；
二、制备芳纶纳米纤维溶液：
将芳纶纳米纤维和氢氧化钾溶于二甲基亚砜中，再在室温和搅拌速度为200r/min～1500r/min下搅拌反应5天～7天，得到深红色的芳纶纳米纤维溶液；
步骤二中所述的深红色的芳纶纳米纤维溶液中芳纶纳米纤维的浓度为0.5mg/ml～5mg/ml；
步骤二中所述的芳纶纳米纤维与氢氧化钾的质量比为1:(1～2)；
三、混合：
在室温和搅拌速度为200r/min～2000r/min的条件下，将浓度为5mg/g～9mg/g的细菌纤维素悬浮液以0.2mg/ml～0.8mg/ml的滴加速度滴加到深红色的芳纶纳米纤维溶液中，再加入蒸馏水，再在搅拌速度为200r/min～2000r/min下磁力搅拌120min～240min，得到凝胶；
步骤三中所述的凝胶中芳纶纳米纤维与细菌纤维素的质量比为1:(0.1～2.5)；
步骤三中所述的浓度为5mg/g～9mg/g的细菌纤维素悬浮液与蒸馏水的质量比为1:(110～200)；
四、减压抽滤：
将步骤三得到的凝胶加入到布氏漏斗中，然后在真空度为0.07mpa～0.09mpa下减压抽滤，得到细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合凝胶；
步骤四中所述的布氏漏斗上滤纸的孔径为3μm～50μm；
五、冷冻干燥：
将细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合凝胶放入温度为-18℃～-22℃下冷冻成型，再放入温度为-45℃～-60℃的冷冻干燥机中冷冻干燥36h～72h，得到细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶。
本实施方式的原理及优点：
一、本实施方式制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶具有超轻、多孔、比表面积大和吸附能力强的优点，比表面积为300m2/g～800m2/g；
二、本实施方式制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶为选择性吸附阳离子染料的纳米气凝胶；细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶用于吸附阳离子染料，阳离子染料的去色率达到90％以上；(去色率：染料溶液吸附前后吸收光谱最强峰变化的百分比，即
三、本实施方式制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶对阳离子染料有很好的吸附效果，具体是对亚甲基蓝溶液的吸附，去色率可达到90％。同时对比吸附了甲基橙溶液(阴离子染料)，结果是对甲基橙溶液去色率很低，因此，本实施方式制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶能实现对染料的选择性吸附，可以实现废水中的阳离子染料和阴离子染料的粗分离；
四、本实施方式方法简单，绿色环保，成本低廉，与现有方法相比，处理阳离子染料废水的成本大大降低。
本实施方式可获得细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中将细菌纤维素浸泡在质量分数为2％～4％的氢氧化钠溶液中1h～2h，取出后使用蒸馏水对细菌纤维素进行清洗，直至清洗液为中性，得到清除掉表面杂质的细菌纤维素；向清除掉表面杂质的细菌纤维素中加入蒸馏水，再使用打浆机在18000r/min～20000r/min的转速下粉碎0.5h～0.7h，得到浓度为5mg/g～7mg/g的细菌纤维素悬浮液。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤二中所述的芳纶纳米纤维为kevlar-29纤维。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤二中所述的深红色的芳纶纳米纤维溶液中芳纶纳米纤维的浓度为0.5mg/ml～1mg/ml。其它步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤二中所述的深红色的芳纶纳米纤维溶液中芳纶纳米纤维的浓度为1mg/ml～3mg/ml。其它步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤二中所述的芳纶纳米纤维与氢氧化钾的质量比为1:(1～1.5)。其它步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤三中在室温和搅拌速度为200r/min～500r/min的条件下，将浓度为5mg/g～7mg/g的细菌纤维素悬浮液以0.2mg/ml～0.5mg/ml的滴加速度滴加到深红色的芳纶纳米纤维溶液中，再加入蒸馏水，再在搅拌速度为200r/min～500r/min下磁力搅拌120min～180min，得到凝胶。其它步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤三中所述的凝胶中芳纶纳米纤维与细菌纤维素的质量比为1:(0.1～0.5)。其它步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤三中所述的凝胶中芳纶纳米纤维与细菌纤维素的质量比为1:(1～2)。其它步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式是一种细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶用于吸附阳离子染料。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、制备细菌纤维素悬浮液：
将细菌纤维素浸泡在质量分数为4％的氢氧化钠溶液中2h，取出后使用蒸馏水对细菌纤维素进行清洗，直至清洗液为中性，得到清除掉表面杂质的细菌纤维素；向清除掉表面杂质的细菌纤维素中加入蒸馏水，再使用打浆机在20000r/min的转速下粉碎0.8h，得到浓度为7mg/g的细菌纤维素悬浮液；
二、制备芳纶纳米纤维溶液：
将1g芳纶纳米纤维和1.5g氢氧化钾溶于500ml二甲基亚砜中，再在室温和搅拌速度为1000r/min下搅拌反应6天，得到深红色的芳纶纳米纤维溶液；
步骤二中所述的芳纶纳米纤维为kevlar-29纤维；
三、混合：
在室温和搅拌速度为1000r/min的条件下，将浓度为7mg/g的细菌纤维素悬浮液以0.5mg/ml的滴加速度滴加到深红色的芳纶纳米纤维溶液中，再加入蒸馏水，再在搅拌速度为1000r/min下磁力搅拌160min，得到凝胶；
步骤三中所述的凝胶中芳纶纳米纤维与细菌纤维素的质量比为1:1；
步骤三中所述的浓度为7mg/g的细菌纤维素悬浮液与蒸馏水的质量比为1:150；
四、减压抽滤：
将步骤三得到的凝胶加入到布氏漏斗中，然后在真空度为0.09mpa下减压抽滤，得到细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合凝胶；
步骤四中所述的布氏漏斗上滤纸的孔径为20μm；
五、冷冻干燥：
将细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合凝胶放入温度为-20℃下冷冻成型，再放入温度为-50℃的冷冻干燥机中冷冻干燥36h，得到细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶。
图1为实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶的数码照片；
从图1可知，实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶具有分层的多孔结构。
图2为实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶的低倍sem图；
图3为实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶的高倍sem图；
从图2～图3可知，实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶分层结构明显。
实施例二：实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶的吸附效果验证：
一、称取50mg实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶；
二、配制30ml亚甲基蓝溶液，亚甲基蓝溶液的浓度为25mg/l，测量亚甲基蓝溶液的紫外吸收光谱；
三、将50mg实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶放入30ml亚甲基蓝溶液中，静置24h，再测量亚甲基蓝溶液的紫外吸收光谱。
图4为实施例二中配制的亚甲基蓝溶液的数码照片图；
图5为实施例二中配制的亚甲基蓝溶液的紫外吸收光谱图；
图6为实施例二中利用实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶吸附实施例二中配制的亚甲基蓝溶液24h后的数码照片图；
图7为实施例二中利用实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶吸附实施例二中配制的亚甲基蓝溶液24h后的紫外吸收光谱图；
从图3～如6可知，加入实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶后亚甲基蓝溶液的颜色明显变浅，并且吸收光谱中的吸收峰的强度大幅度减弱，证明实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶有很好的吸附效果，去色率可达到90％。
实施例三：实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶的选择性吸附
一、称取两份质量均为30mg的实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶；
二、配制30ml亚甲基蓝溶液，亚甲基蓝溶液的浓度为25mg/l；再配制30ml甲基橙溶液(阴离子染料)，甲基橙溶液(阴离子染料)的浓度为25mg/l，测量亚甲基蓝溶液和甲基橙溶液(阴离子染料)的紫外吸收光谱；
三、同时向30ml亚甲基蓝溶液和30ml甲基橙溶液(阴离子染料)中加入30mg的实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶，静置24h，再测量亚甲基蓝溶液和甲基橙溶液(阴离子染料)的紫外吸收光谱。
图8为实施例三中配制的亚甲基蓝溶液和甲基橙溶液的数码照片图，图中1为亚甲基蓝溶液，2为甲基橙溶液；
图9为实施例三中配制的亚甲基蓝溶液和甲基橙溶液的紫外吸收光谱图，图中1为亚甲基蓝溶液，2为甲基橙溶液；
图10为实施例三中利用实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶吸附实施例三中配制的亚甲基蓝溶液和甲基橙溶液24h后的数码照片图，图中1为亚甲基蓝溶液，2为甲基橙溶液；
图11为实施例三中利用实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶吸附实施例三中配制的亚甲基蓝溶液和甲基橙溶液24h后的紫外吸收光谱图，图中1为亚甲基蓝溶液，2为甲基橙溶液；
从图8～图11可知，实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶对亚甲基蓝溶液有非常明显的吸附作用，去色率可以达到93％，但是实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶对甲基橙溶液只表现出微量吸附。
实施例四：实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶用于染料的分离：
一、称取30mg实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶；
二、配制20ml亚甲基蓝溶液，亚甲基蓝溶液的浓度为25mg/l；再配制20ml甲基橙溶液，甲基橙溶液的浓度为25mg/l；将20ml亚甲基蓝溶液和20ml甲基橙溶液混合均匀，得到亚甲基蓝溶液与甲基橙溶液的混合溶液，测量亚甲基蓝溶液与甲基橙溶液的混合溶液的紫外吸收光谱；
三、向步骤二中得到的亚甲基蓝溶液与甲基橙溶液的混合溶液中加入30mg实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶，静置24h，再测量亚甲基蓝溶液与甲基橙溶液的混合溶液的紫外吸收光谱。
图12为实施例四中配制的亚甲基蓝溶液与甲基橙溶液的混合溶液的数码照片图；
图13为实施例四中配制的亚甲基蓝溶液与甲基橙溶液的混合溶液的紫外吸收光谱图；
图14为实施例四中利用实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶吸附实施例四中配制的亚甲基蓝溶液与甲基橙溶液的混合溶液24h后的数码照片图；
图15为实施例四中利用实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶吸附实施例四中配制的亚甲基蓝溶液与甲基橙溶液的混合溶液24h后的紫外吸收光谱图。
从图13可知，亚甲基蓝溶液与甲基橙溶液的混合溶液的紫外吸收光谱中有亚甲基蓝和甲基橙的吸收峰；
从图15可以看出，亚甲基蓝的吸收峰几乎完全消失，图中只有甲基橙的吸收峰，可以得出结论，亚甲基蓝基本完全吸附到实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶的表面，而实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶基本不吸附甲基橙溶液，因此，实施例一制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶可以实现对染料的选择性吸收。
本发明制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶用以吸收废水中阳离子染料的方法，主要是通过将两种材料共混实现，这种方法的优点是：采用原料之一的细菌纤维素是一种生物质材料，可以通过微生物发酵产生，廉价易得，同时制备方法简单易行、安全方便，试剂无毒无害。本发明制备的细菌纤维素/芳纶纳米纤维复合气凝胶具有超轻、多孔、比表面积大、吸附能力强等优点，在染料的选择性吸附领域展现出广阔的应用前景。