一种纤维素基聚合物刷吸附剂及其制备方法和应用

本发明涉及一种吸附剂及其制备方法和应用，具体涉及一种纤维素基聚合物刷吸附剂及其制备方法和其在吸附汞离子中的应用，属于吸附分离材料。

背景技术：

1、废水中的重金属污染一直是环境科学领域一个引人注目的全球性问题，始终受到人们的高度关注。由于重金属可以在生物体中积累，通常使水体变得复杂、不可生物降解和剧毒。其中，汞是毒性最大的重金属污染物之一，在氯碱工业、塑料制造、电子工业、汞合金冶炼、疫苗制造等行业均有大量含汞废水产生。汞在人体内的过量积累可引起多种疾病和失调，包括肾功能不全、严重认知障碍、运动障碍、肝损伤和水俣病等。因此，开发一种简单有效的去除水中汞的方法是非常有必要的。

2、常用的处理水中汞的方法包括：沉淀法、离子交换法、膜分离法、电化学处理法、吸附法等。其中，吸附法是一种极具吸引力且高效的处理水中汞的方法，因其具有选择性好、效率高、易于操作和可重复使用等优点而广泛应用于含汞废水的处理中。目前，很多类型的材料，如：活性炭、硅胶、碳纳米管、fe3o4等，被用作吸附材料的基质。但是这些无机基质绝大多数需要单独合成，有的还存在生物相容性差的问题。因此，选择一种易于获得且具有生物相容性的材料作为吸附材料的基质，对吸附剂的吸附性能和兼容性的提升具有至关重要的作用。

3、纤维素是自然界中存在最广泛的天然大分子之一，具有丰富、可再生、易于预处理、环境友好、生物相容性和可生物降解等特点。此外，纤维素还具有丰富的表面羟基，本身与金属离子具有一定的配位能力，且易于基于羟基从空间拓扑结构上进行改性，这使其成为吸附剂基质的理想材料。利用纤维素基吸附剂去除水溶液中重金属离子的研究已经有报道。

4、纤维素表面的拓扑结构对其吸附能力起着至关重要的作用。具有代表性的表面改性方法，如：酸碱处理、官能团引入和表面引发聚合等，已用于制备纤维素基吸附剂中。其中，官能团引入这一表面改性方法又分为小分子改性和大分子改性，小分子改性引入的功能基团的数量较少，且合成过程多为不可控，大分子改性（如：树状大分子、聚合物刷和超支化聚合物等）成为一种更优的选择，并表现出良好的吸附性能。在聚合物刷表面改性的基础上，引入“聚合物刷上接刷”结构，作为在表面上进一步扩展接枝结构的一种新型改性方法，能够在空间立体上引入更多的功能基团，有望获得更高的吸附容量和吸附效率。

5、综上所述，开发一种对汞离子具有高效、高选择性的纤维素基聚合物刷吸附剂，在重金属富集领域具有重要的意义。

技术实现思路

1、为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种对汞离子具有高效、高选择性的纤维素基聚合物刷吸附剂及其制备方法和应用。

2、为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

3、一种纤维素基聚合物刷吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

4、（1）将纤维素、吡啶和三乙胺按1.8-2.2g：0.18-0.24g：500-800μl的比例混合于80-110ml干燥的dcm中，冰水浴冷却，向混合溶液中滴加4-6ml 2-溴异丁酰溴，室温下反应10-15h，依次进行离心、洗涤、干燥，得到纤维素基大分子引发剂1；

5、（2）将纤维素基大分子引发剂1、hema、光催化剂和还原剂按照1.5-1.8g：3.5-4.5g：12-18mg：15-25μl的比例混合于10-15ml dmf中，除氧后密封反应容器，用白色led灯照射反应容器4-8h，反应完成后，将混合物滴加到100-150ml dcm中，使产物沉淀，依次进行过滤、洗涤、干燥，得到cellulose@hema；

6、（3）将cellulose@hema、有机胺和2-溴苯乙酸按照1.2-1.8g：0.10-0.15g：1.0-1.5g的比例加入到80-150ml dcm中，将2.0-2.5g 1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐加入到50-100ml dcm中，在20-30min内将上述含有1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐的溶液全部滴加到上述含有cellulose@hema的溶液中，室温下反应20-25h，依次进行洗涤、干燥，得到纤维素基大分子引发剂2；

7、（4）将纤维素基大分子引发剂2、aema、光催化剂和还原剂按1.2-1.5g：4.0-5.0g：40-60mg：25-40μl的比例加入到10-15ml dmf中，除氧后密封反应容器，用白色led灯照射反应容器4-8h，反应完成后，将混合物滴加到100-150ml dcm中，使产物沉淀，依次进行抽滤、洗涤、干燥，得到cellulose@aema。

8、优选的，在步骤（2）和步骤（4）中，光催化剂选用的是曙红y、荧光素、罗丹明b或赤鲜红b。

9、优选的，在步骤（2）和步骤（4）中，还原剂选用的是三乙胺、二异丙基乙胺、三苯基膦或抗坏血酸。

10、优选的，在步骤（3）中，有机胺选用的是吡啶、4-二甲氨基吡啶或2，6-二甲基吡啶。

11、一种由前面任意一项所述的方法制备得到的纤维素基聚合物刷吸附剂cellulose@aema，该纤维素基聚合物刷吸附剂cellulose@aema可应用于水溶液中汞离子的富集和去除中。

12、本发明的有益之处在于：

13、（1）吸附剂对金属离子的吸附量和吸附效率与吸附剂表面参与配位的功能基团的数量呈正相关，本发明利用可见光催化的表面引发原子转移自由基聚合的可控合成方法，从纤维素表面接枝聚合物，首先制备得到了具有特定结构的纤维素基聚合物刷材料（cellulose@hema），在聚合物刷表面改性的基础上，又引入了“聚合物刷上接刷”结构（即在聚合物刷材料表面通过第一次表面引发可控聚合接枝聚合物刷结构，再通过第二次表面引发可控聚合在聚合物刷上接枝聚合物），制备得到了纤维素基聚合物刷吸附剂（cellulose@aema），在立体空间引入了更多的功能基团，实现了纤维素基吸附剂表面三维拓扑结构的可控合成，制备得到的纤维素基聚合物刷吸附剂cellulose@aema对汞离子具有优异的吸附能力和可重复使用性，可应用于汞离子富集与含汞污水处理中，为汞离子富集与含汞污水处理提供了一种良好的策略；

14、（2）本发明所使用的初始原料纤维素绿色、易得，属于可再生资源，制备过程利用两次可见光催化的原子转移自由基聚合，反应能源绿色、条件温和、成本低廉，采用可控聚合方法对纤维素表面接枝的具体拓扑结构进行可控合成，适于大规模制备。

技术特征：

1.一种纤维素基聚合物刷吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的纤维素基聚合物刷吸附剂的制备方法，其特征在于，在步骤（2）和步骤（4）中，所述光催化剂选用的是曙红y、荧光素、罗丹明b或赤鲜红b。

3.根据权利要求1所述的纤维素基聚合物刷吸附剂的制备方法，其特征在于，在步骤（2）和步骤（4）中，所述还原剂选用的是三乙胺、二异丙基乙胺、三苯基膦或抗坏血酸。

4.根据权利要求1所述的纤维素基聚合物刷吸附剂的制备方法，其特征在于，在步骤（3）中，有机胺选用的是4-二甲氨基吡啶。

5.一种由权利要求1至4任意一项所述的方法制备得到的纤维素基聚合物刷吸附剂cellulose@aema。

6.权利要求5所述的纤维素基聚合物刷吸附剂cellulose@aema在富集或去除水溶液中汞离子的应用。

技术总结
本发明公开了一种纤维素基聚合物刷吸附剂及其制备方法和应用，属于吸附分离材料技术领域。本发明利用可见光催化的表面引发原子转移自由基聚合的可控合成方法，从纤维素表面接枝聚合物，首先制备得到了具有特定结构的纤维素基聚合物刷材料（Cellulose@HEMA），在聚合物刷表面改性的基础上，又引入了“聚合物刷上接刷”结构，制备得到了纤维素基聚合物刷吸附剂（Cellulose@AEMA），在立体空间引入了更多的功能基团，实现了纤维素基吸附剂表面三维拓扑结构的可控合成，制备得到的Cellulose@AEMA对汞离子具有优异的吸附能力和可重复使用性，可应用于汞离子富集与含汞污水处理中。

技术研发人员：魏东磊,陈厚,杨华伟,柏良久,王文香,杨丽霞
受保护的技术使用者：鲁东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1