复合气凝胶及其制备方法以及复合水凝胶及其制备方法与流程

本发明涉及材料领域，具体而言，涉及一种复合气凝胶及其制备方法以及复合水凝胶及其制备方法。

背景技术

染料废水是指用苯、甲苯及萘等为原料经硝化、碘化生产中间体，然后再进行重氮化、还原、偶合、硫化以及酸(盐)析反应制造染料、颜料生产过程中排出的废水。

人们一般用5日生化需氧量与化学需氧量的比值：bod5/cod来评价污水可生化降解性，b/c比值越高说明可生化降解性越高。其中，bod5(biochemicaloxygendemand):5日生化需氧量或生化耗氧量(mg/l)，表示水中有机物等需氧污染物质的量，其值越高说明水中有机污染物质越多，污染越严重；cod(chemicaloxygendemand)：化学需氧量(mg/l)，是以化学方法测量水样中需要被氧化的还原性物质的量。另外，由于不同种染料还含有重金属污染物、酸碱污染物等，这些也都是评价染料废水污染程度的指标之一。

其危害如下：

(1)色度高：废水中的染料能吸收光线，降低水体的透明度，大量消耗水体中的氧，造成水体缺氧，影响水生生物和微生物的生长，破坏水体自净[1]。

(2)有机物：染料废水有机物含量高，有机物降解过程中大量消耗水体中溶解氧，易造成水体缺氧，影响水生物生存，造成水体富营养，水质下降[3]。

(3)毒性：染料是有机芳香族化合物苯环上的氢被卤素、硝基、胺基等取代以后生成的芳香族卤化物、芳香族硝基化合物、芳香族胺类化学物、联苯等多苯环取代化合物，生物毒性都较大，有的还是“三致(致癌、致畸、致突变)”物质，对人体健康有严重的负面影响；染料中存在的重金属，如铬、铅、汞、砷、锌等重金属盐类无法生物降解，可在自然环境中长期存在，并通过食物链不断传递，在人体内积累，进而引发水俣病、骨痛病等，甚至导致死亡。

因此，如果染料废水不加处理直接排放，将会对本就日益紧张的饮用水源造成极大的威胁。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种复合气凝胶，能够用于处理染料废水。

本发明的第二目的在于提供一种复合气凝胶的制备方法，能够获得吸附性能优异的复合气凝胶。

本发明的第三目的在于提供一种复合水凝胶。

本发明的第四目的在于提供一种复合气凝胶的制备方法。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

一种复合气凝胶，包括：微晶纤维素材料和mxene；mxene均匀地分散在微晶纤维素材料中；其中，mxene的层间距为1.43-1.50nm。

一种复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：向mxene水溶液中加入微晶纤维素粉末，在110-130℃油浴条件下搅拌反应至微晶纤维素粉末完全溶解后冷却至室温后冷冻干燥；其中，mxene均匀地分散在微晶纤维素中；mxene的层间距为1.43-1.50nm。

一种复合水凝胶的制备方法，向mxene水溶液中加入微晶纤维素粉末，在110-130℃油浴条件下搅拌反应至微晶纤维素粉末完全溶解后冷却至室温。

一种复合水凝胶，采用如上述的复合水凝胶的制备方法制得。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种复合气凝胶，包括微晶纤维素材料和mxene。mxene均匀地分散在微晶纤维素材料中。其中，mxene的层间距为1.43-1.50nm。该复合气凝胶中mxene的层间距极大地增大，增大了mxene与染料接触的比表面积使得吸附量显著增加。

本发明提供的一种复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：向mxene水溶液中加入微晶纤维素粉末，在110-130℃油浴条件下搅拌反应至微晶纤维素粉末完全溶解后冷却至室温后冷冻干燥。其中，mxene均匀地分散在微晶纤维素中；mxene的层间距为1.43-1.50nm。该方法操作简单，可行性强，能够获得具有优异吸附功能的复合气凝胶材料，从而应用于染料吸附。

本发明提供的一种复合水凝胶的制备方法，向mxene水溶液中加入微晶纤维素粉末，在110-130℃油浴条件下搅拌反应至微晶纤维素粉末完全溶解后冷却至室温。

本发明提供的一种复合水凝胶，采用如上述的复合水凝胶的制备方法制得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是纯微晶纤维素气凝胶在10000倍sem放大图像；

图2是本发明实施例2制备得到的复合气凝胶样品在10000倍sem放大图像；

图3是本发明实施例3制备得到的复合气凝胶样品在10000倍sem放大图像；

图4是本发明实施例5制备得到的复合气凝胶在10000倍sem放大图像；

图5是本实施例1-6制备得到的复合气凝胶、对比例提供的纯微晶纤维素气凝胶以及mxene的xrd谱图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面对本发明实施例的复合气凝胶及其制备方法以及复合水凝胶及其制备方法进行具体说明。

本发明实施例提供的一种复合气凝胶，包括：微晶纤维素材料和mxene；mxene均匀地分散在微晶纤维素材料中。

mxene是一种二维材料。该材料为离子的运动提供了更多的通道，大幅提高了离子运动的速度。

从形态上来看，mxene就像是金属氧化物中间被压扁的水凝胶，它导电性能很强，完全可以替代电线中的铜和铝，这样一来离子移动时阻力会小很多。

在本实施例方式中，通过在上述的微晶纤维素材料中均匀地分散mxene，从而增大了mxene与染料接触的比表面积，进而为这种复合气凝胶获得优异的吸附性能提供有利的保障。

进一步地，mxene的层间距为1.43-1.50nm。

纯的mxene一般的层间距为1.30-1.33nm。本实施方式提供的复合气凝胶中mxene的层间距为1.43-1.50nm。

相对于纯的mxene，本实施例方式提供的复合气凝胶使得mxene的层间距得到了极大的提高，进一步地提高了mxene的比表面积，为本实施例方式提供的复合气凝胶获得优异的吸附性能提供有利的保障。

进一步可选地，上述的复合气凝胶中的mxene的层间距为1.45nm。

本发明的一些实施方式还提供一种复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

s1、制备mxene水溶液。

将mxene分散在水溶液中。进一步地，向分散有mxene的水溶液中加入溴化锂，搅拌至溴化锂完全溶解。

通过向上述的mxene水溶液中添加溴化锂，能够有效地保证后续加入到溶液中的微晶纤维素材料溶解在溶液中，从而为后续获得良好吸附性能的复合气凝胶提供有利的保障。

进一步地，在本实施方式中，上述的mxene水溶液的浓度选择配置为2-5mg/ml。

s2、制备复合水凝胶。

向前述制得的mxene水溶液中加入微晶纤维素粉末，在110-130℃油浴条件下搅拌反应至微晶纤维素完全溶解后在室温中慢慢冷却直至形成凝胶。

进一步可选地，在120℃油浴条件下搅拌反应至微晶纤维素完全溶解，从而使得mxene均匀地分散在微晶纤维素中。

进一步地，微晶纤维素粉末与溴化锂的质量之比为1：100。

通过将上述的微晶纤维素粉末与溴化锂的质量之比为1：100，能够有效地保证mxene均匀地分散在微晶纤维素粉末中，进而获得良好吸附性能的复合气凝胶。

s3、制备复合气凝胶。

进一步地，向前述制备得到的mxene/纤维素复合水凝胶中加入去离子水，不断交换去离子水直至完全除去libr。

通过清洗去除libr，能够有效地避免后续制得的复合气凝胶存在杂质的问题，进一步地提高了复合气凝胶的纯度，保证了其性能。

进一步地，对上述清洗完毕的复合水凝胶进行冷冻干燥，即得mxene/纤维素基复合气凝胶。

具体地，冷冻干燥是在-45～-55℃、15-20pa条件下进行。

本发明的一些实施方式还提供一种复合水凝胶的制备方法。制备复合水凝胶与前述制备复合气凝胶的方法基本相同，所不同之处在于，不需要冷冻干燥。

本发明的一些实施方式还提供一种复合水凝胶，该复合水凝胶采用上述的复合水凝胶的制备方法制得。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述：

实施例1

本实施例提供的一种复合气凝胶，是这样制备的：

向分散有mxene的水溶液中加入7.5g溴化锂，在搅拌的条件下使溴化锂完全溶解，mxene水溶液的浓度为4mg/ml。然后加入0.075g的微晶纤维素粉末，在搅拌条件下置于120℃油浴中溶解。待到纤维素完全溶解，将mxene/纤维素溶液置于室温中慢慢冷却直至形成凝胶，然后向mxene/纤维素凝胶中加入去离子水，不断交换去离子水直至完全除去libr后，置于-51℃、16pa条件下冷冻干燥即得mxene/纤维素基复合气凝胶。

实施例2

本实施例提供的一种复合气凝胶，是这样制备的：

向分散有mxene的水溶液中加入7.5g溴化锂，在搅拌的条件下使溴化锂完全溶解，mxene水溶液的浓度为3mg/ml。然后加入0.075g的微晶纤维素粉末，在搅拌条件下置于110℃油浴中溶解。待到纤维素完全溶解，将mxene/纤维素溶液置于室温中慢慢冷却直至形成凝胶，然后向mxene/纤维素凝胶中加入去离子水，不断交换去离子水直至完全除去libr后，置于-50℃、18pa条件下冷冻干燥即得mxene/纤维素基复合气凝胶。

实施例3

本实施例提供的一种复合气凝胶，是这样制备的：

向分散有mxene的水溶液中加入7.5g溴化锂，在搅拌的条件下使溴化锂完全溶解，mxene水溶液的浓度为5mg/ml。然后加入0.075g的微晶纤维素粉末，在搅拌条件下置于130℃油浴中溶解。待到纤维素完全溶解，将mxene/纤维素溶液置于室温中慢慢冷却直至形成凝胶，然后向mxene/纤维素凝胶中加入去离子水，不断交换去离子水直至完全除去libr后，置于-55℃、12pa条件下冷冻干燥即得mxene/纤维素基复合气凝胶。

实施例4

本实施例提供的一种复合气凝胶，是这样制备的：

向分散有mxene的水溶液中加入7.5g溴化锂，在搅拌的条件下使溴化锂完全溶解，mxene水溶液的浓度为5mg/ml。然后加入0.075g的微晶纤维素粉末，在搅拌条件下置于125℃油浴中溶解。待到纤维素完全溶解，将mxene/纤维素溶液置于室温中慢慢冷却直至形成凝胶，然后向mxene/纤维素凝胶中加入去离子水，不断交换去离子水直至完全除去libr后，置于-45℃、15pa条件下冷冻干燥即得mxene/纤维素基复合气凝胶。

实施例5

本实施例提供的一种复合气凝胶，是这样制备的：

向分散有mxene的水溶液中加入7.5g溴化锂，在搅拌的条件下使溴化锂完全溶解，mxene水溶液的浓度为3.5mg/ml。然后加入0.075g的微晶纤维素粉末，在搅拌条件下置于118℃油浴中溶解。待到纤维素完全溶解，将mxene/纤维素溶液置于室温中慢慢冷却直至形成凝胶，然后向mxene/纤维素凝胶中加入去离子水，不断交换去离子水直至完全除去libr后，置于-548℃、25pa条件下冷冻干燥即得mxene/纤维素基复合气凝胶。

实施例6

本实施例提供的一种复合气凝胶，是这样制备的：

向分散有mxene的水溶液中加入7.5g溴化锂，在搅拌的条件下使溴化锂完全溶解，mxene水溶液的浓度为4.6mg/ml。然后加入0.075g的微晶纤维素粉末，在搅拌条件下置于128℃油浴中溶解。待到纤维素完全溶解，将mxene/纤维素溶液置于室温中慢慢冷却直至形成凝胶，然后向mxene/纤维素凝胶中加入去离子水，不断交换去离子水直至完全除去libr后，置于-54℃、20pa条件下冷冻干燥即得mxene/纤维素基复合气凝胶。

对比例

纯微晶纤维素凝胶

实验例：

1、对实施例制备得到的复合气凝胶以及对比例提供的纯微晶纤维素气凝胶，采用扫描电镜分析其形貌，结果如图1-4所示。

由图1-4可以对比发现：纯微晶纤维素气凝胶的空隙较小，比表面积较小，实施例1-6制备得到的复合气凝胶空隙较大，复合气凝胶的比表面较大。从而使得mxene与染料接触的比表面积增大。说明实施例制备得到的复合气凝胶具有优异的吸附性能。

2、对实施例1-6制备得到的复合气凝胶以及对比例提供的纯微晶纤维素气凝胶，采用xrd分析其层间距，结果如图5所示。

由图5可以对比发现：mxene的一般的层间距为1.30-1.33nm。实施例1-6制备得到的复合气凝胶中的mxene的层间距为1.45nm。

相对于纯的mxene，实施例1-6提供的复合气凝胶中mxene的层间距得到了极大的提高，进一步地增大了mxene与染料接触的比表面积，进一步地证明了实施例1-6制备得到的复合气凝胶具有优异的吸附性能。

3、对实施例1-6制备得到的复合气凝胶以及对比例提供的纯微晶纤维素气凝胶，考察其对单一染料的吸附性能。

首先分别配制染料水溶液：浓度分别为50mg/l、50mg/l、50mg/l、50mg/l的甲基橙、酸性铬蓝k、水性伊红y和亚甲基蓝溶液。

然后称取实施例1-6制备得到的复合气凝胶，共4份，每份均20mg，分别加入到50ml的4种染色剂溶液中，将混合物常温下在水浴恒温振荡器中振荡48小时，以去离子水为标样，通过紫外-可见分光光度计测试得到吸光度，并以此计算出吸附率r，比较不同聚合时间的复合凝胶对不同染色剂的吸附能力。结果见下表：

由上表可以看出，本实施例1-6提供的复合气凝胶对亚甲基蓝的吸附性能均呈现出良好的吸附效果。在振荡条件下，复合气凝胶能够有效地接触染料分子，尤其是对亚甲基蓝具备了优异的吸附效果，去除率高达96.3％。

4、对实施例1-6制备得到的复合气凝胶以及对比例提供的纯微晶纤维素气凝胶，考察其对混合染料的选择吸附性能。

分别配制了亚甲基蓝/伊红y(mb/esy＝1：1)、亚甲基蓝/酸性铬蓝(mb/acbk＝1:1)、亚甲基蓝/甲基橙(mb/mo＝1:1)混合染料水溶液，各加入1份20mg实施例1制备得到的复合气凝胶，将混合物于常温下恒温振荡吸附48h，通过紫外-可见分光光度计测试后计算出对应吸收波长峰值处的下降比例，作图表示出复合气凝胶对各染料组分的mb去除率。结果如下表：

由上表可以看出，本发明实施例提供的复合气凝胶对mb具有优异的选择性吸附性，对混合染料中的mb的去除率高达99.82％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。