一种处理重金属污水的水凝胶发泡材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于新材料领域，具体涉及一种处理重金属污水的水凝胶发泡材料及其制 备方法。
【背景技术】
[0002] 随着现代工业产业的快速发展和经济的高速增长，在电镀、电子、选矿、冶金、化工 及汽车等工业产业中会产生大量的含有重金属的污水，排放含有重金属的污水会给人体健 康和工农业生产带来严重的破坏。在自然界中，重金属离子不具备自净和生物降解能力，一 旦重金属离子进入自然环境中，则会污染水体、土壤与大气，并且可以通过生物链不断富 集，甚至可被植物吸收后通过食物链危害到人类健康。随着人类工业生产的日益频繁，化 工、冶金和采矿等行业所排放的污水中重金属离子的质量浓度远远高于最大允许质量浓 度，造成了严重的环境污染，因此，污水治理以及污水资源化技术的发展和创新能力应该得 到进一步的重视。
[0003] 中国专利公开号为CN102941069A公开了一种可作为重金属吸附剂的水凝胶及其 制备方法，该制备方法选用生物相容性好的天然高分子材料琼脂、羧甲基纤维素钠及其衍 生物、合成高聚物聚乙烯吡咯烷酮、其他天然高分子材料等作为水凝胶原料，只需将原料按 一定比例溶于水中，搅拌均匀，制备成均匀的水溶液或乳液，放入60C〇- γ工业辐照装置中， 在吸收剂量为5kGy~IOOkGy下进行辐照，即可合成水凝胶。制备方法简单，辐照前亦不需对 原料进行特殊处理。该发明合成的该类水凝胶生物相容性好、价格低廉、可强烈吸附污水中 重金属离子。但是该方法制备的水凝胶吸附量较小，力学性能较差。
[0004] 中国专利公开号为CN102453187A公开了一种吸附重金属的聚合物水凝胶及其制 备方法和应用，该发明所述水凝胶为不溶于水但在水中高度溶胀的三维网络聚合物，由丙 烯酸羟乙酯(亲水性玻璃态单体)和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸两种单体辐射共聚生成； 它具有低交联度、高溶胀率、不溶于水的结构和性能特征;具有吸水能力强，保水性好，吸水 后即使加压也不脱水，同时具有一般高分子化合物的基本特征;但是该发明制备的水凝胶 微球结构稳定性和吸附效率较差。
[0005] 中国专利公开号为CN102304260A公开了一种聚乙烯醇发泡材料及其制造方法，该 聚乙烯醇发泡材料由包括如下组分的组合物制得:聚乙烯醇粉料48~95重量份，优选67~ 95重量份;塑化剂5~40重量份，优选5~25重量份;成核剂0.05~5重量份，优选0.1~3重量 份;热稳定剂0.1~2重量份，优选0.2~0.8重量份;交联剂0.02~5重量份，优选0.02~4重 量份；以及化学发泡剂或物理发泡剂。所述制造方法可以为化学发泡法或物理发泡法。该发 明的化学发泡法工艺简单，对设备要求不苛刻，只需要普通的用于发泡的单螺杆挤出机即 可;但是该发明制备的聚乙烯醇发泡材料不适用于污水处理。
[0006] 伴随我国经济和工业产业的快速发展，污水中重金属离子问题越来越受到重视， 而污水处理材料作为污水处理技术中的重要组成部分，同样受到各个领域关注，而目前用 于处理污水中重金属离子的水凝胶材料的种类较少，大大限制了污水处理材料的选择，因 此，开发一种适用于污水处理的具有对污水中重金属离子吸附效率好，吸附量大，力学性能 优异的水凝胶材料，对丰富污水处理材料，促进污水处理的发展具有重要意义。
【发明内容】
[0007] 本发明目的：为了丰富污水处理材料种类，本发明提供一种处理重金属污水的水 凝胶发泡材料，其对污水中重金属离子吸附效率好，吸附量大，而且结构稳固，力学性能强， 生产成本低廉，使用寿命长，为污水处理材料提供更多的选择。
[0008] 本发明采用的技术方案：为了解决上述问题，提供了一种处理重金属污水的水凝 胶发泡材料，由包含腐殖酸和半纤维素的以下材料以重量份制备而成： 丙烯酸 30-40 聚乙二醇 20-25 坡缕石 10-15 聚乙烯醇 4.0-6.0 腐殖酸 3.0-5.0 半纤维素 3.0-5.0 发泡材料 2.0-4.0 过硫酸钠 0.4-0.6 N，N'_亚甲基双丙烯酰胺 0.05-0.10 进一步地，所述丙烯酸中和度在80%和95%之间。
[0009] 进一步地，所述坡缕石为纤维状坡缕石，粒径介于10微米和20微米之间，长径比介 于10:1和20:1之间。
[0010] 进一步地，所述腐殖酸为在温度为280°c脱水后，经由2.5mol/L的氯化钙浸泡改性 9〇min，再在温度为75°C下干燥制得。
[0011] 进一步地，所述半纤维素为秸杆半纤维素。
[0012] 进一步地，所述发泡材料由40wt%硫酸溶液、30wt%-40wt%甲醛溶液和碳酸镁粉末 组成，其中硫酸溶液、甲醛溶液和碳酸镁粉末组成以重量比机为2:2:1。
[0013]上述用于废水处理的水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤： (1) 将重量份为10-15的坡缕石，重量份为3.0-5.0的腐殖酸和重量份为3.0-5.0的半纤 维素置于水中，并进行超声分散，形成悬浮液； (2) 将重量份为30-40的丙烯酸，重量份为20-25的聚乙二醇和重量份为4.0-6.0的聚乙 稀醇加入水中，在加热温度为85°C下进行搅拌混合，搅拌转速450-600rpm，搅拌时间5-10分 钟，形成丙烯酸、聚乙二醇和聚乙烯醇的混合液； (3) 将步骤(2)得到的丙烯酸、聚乙二醇和聚乙烯醇的混合液，和重量份为0.4-0.6的过 硫酸钠，以及重量份为〇. 05-0.10的N，N'-亚甲基双丙烯酰胺，在加热温度为80°C下加入步 骤(1)的悬浮液中，并在加入过程中进行超声搅拌，搅拌时间60-90分钟，得到混合均匀的水 凝胶初级产物； (4) 将重量份为2.0-4.0的发泡材料加入到加热温度45°C的步骤(3)得到的水凝胶初级 产物中，并进行搅拌，搅拌转速180_240rpm，搅拌时间20分钟，然后注入到模具中，在环境温 度55°C下进行缩醛反应，反应时间4小时后，取出发泡体进行洗涤除杂，得到处理重金属污 水的水凝胶发泡材料。
[0014] 本发明的原理:利用改性后腐殖酸与重金属离子具备很强的络合能力，半纤维素 对水凝胶的三维网状结构具有增强增韧作用，以及成本低廉坡缕石的优异的吸附性能、力 学性能，将腐殖酸、半纤维素和坡缕石均匀的穿插于丙烯酸、聚乙二醇和聚乙烯醇形成的三 维网状水凝胶材料中，形成对重金属离子吸附效率好，吸附量大，而且结构稳固，力学性能 优异的水凝胶初级产物，再通过发泡处理，制得比表面积大，密度小，结构稳固，对重金属离 子吸附效率高，力学性能优异的处理重金属污水的水凝胶发泡材料，同时降低了生产成本； 同时，由于坡缕石提高了丙烯酸、聚乙二醇和聚乙烯醇的热分解温度，延长了水凝胶材料的 使用寿命。
[0015] 本发明突出特点和有益效果在于： (1) 本发明的处理重金属污水的水凝胶发泡材料通过添加腐殖酸和半纤维素，使制得 的水凝胶材料具有对废水中重金属离子吸附效率好，吸附量大，而且结构稳固的特点； (2) 本发明的处理重金属污水的水凝胶发泡材料力学性能优异，通过发泡处理后，使得 水凝胶材料比表面积大，密度小，结构稳固，提高了水凝胶材料的吸附效率和吸附量； (3) 本发明的处理重金属污水的水凝胶发泡材料的生产工艺简单，成本低廉，安全环 保，具有较高的市场应用前景。
【具体实施方式】
[0016] 下面根据具体实施例对本发明作更进一步的说明，以下所述仅是本发明的优选实 施方式，在相同原理下，可以做出部分改进，这些改进也属于本发明的保护范围内： 实施例1: 一种处理重金属污水的水凝胶发泡材料： (1) 将重量份为10的坡缕石，重量份为3.0的腐殖酸和重量份为3.0的半纤维素置于水 中，并进行超声分散，形成悬浮液； (2) 将重量份为30的丙烯酸，重量份为20的聚乙二醇和重量份为4.0的聚乙烯醇加入水 中，在加热温度为85°C下进行搅拌混合，搅拌转速450rpm，搅拌时间5分钟，形成丙稀酸、聚 乙二醇和聚乙烯醇的混合液； (3) 将步骤(2)得到的丙烯酸、聚乙二醇和聚乙烯醇的混合液，和重量份为0.4的过硫酸 钠，以及重量份为0.05的N，N'_亚甲基双丙烯酰胺，在加热温度为80°C下加入步骤（1)的悬