一种能够高效去除水体中重金属离子和有机染料的ncc/pva/pvp共混碳海绵的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种纳米纤维素/聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮(NCC/PVA/PVP)共混碳海绵的制备方法，特别涉及一种微波退火法制备高效去除水体中重金属离子和有机染料的NCC/PVA/PVP共混碳海绵的制备方法。
【背景技术】
[0002]由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的多孔炭材料在具备炭材料性质(如化学稳定性高、导电性好、价廉等)优点的同时，还具有比表面积大等特点。因此，多孔炭材料可应用于分离净化、催化、光学器件、能量存储、生物分离薄膜及纳米反应器等领域。由三维网络结构形成的大孔结构使多孔炭材料具有优异的吸附性能。目前，随着多孔炭材料研究的深入，制备多孔炭材料不仅需要控制其介观结构、孔径及孔道排列，而且对其微米级的宏观形貌也有要求。现已成功合成了球、纤维、棒、单晶和块体材料等多种形貌的介孔炭材料。使得多孔碳材料在污水处理，水体净化领域有重要的作用。
[0003]聚合物基纳米复合材料是指以高聚物为基体，与金属、无机非金属以及有机物纳米粒子等进行复合而得到的一种性能优异的材料。这种复合材料既有高聚物本身的优点，又兼备了纳米粒子的特异属性，因而使其在力学、催化、功能材料(光、电、磁、敏感)等领域内得到应用，甚至出现全新的性能和功能，例如高强度、高模量、高韧性、高耐热性、高透明性、高导电性、对油类和气体的高阻隔性等，因而有着广阔的发展前景。聚合物纳米复合材料可分为聚合物/无机物纳米复合材料和聚合物/聚合物纳米复合材料。近年来大量的研究集中于制备单一组分的不同形貌和结构的碳纤维、碳气凝胶等对水体中重金属离子和有机染料的去除，对于多组分共混，纳米材料与高聚物共混制备碳材料研究很少。目前制备的重金属离子和有机染料的吸附材料有多孔纤维、石墨烯气凝胶、碳纳米复合纤维、淀粉-碳膜材料等。如由Zhao等提出的以聚苯乙烯为基体，通过电纺丝技术制备了具有多空隙结构的纤维对油有很高的吸附率(Jing Wu,Nu Wang,Li Wang,Hua Dong,Yong Zhao ,and LeiJing ACS Appl.Mater.1nterfaces,2012,4,3207-3212);由Li等提出的以自组装方法制备的可压缩石墨稀气凝胶对有机溶剂的去除可循环使用(Jihao Li ,Jingye Li ,Hu Meng,Siyuan Xie,Bowu Zhang ,Linfan Li,Hongjuan Ma,Jianyong Zhang and Ming Yu,J.Mater.Chem.A，2014，2,2934-2941;由Guo等提出的以棉纤维为原料通过微波退火和煅烧等方法制备的具有多孔的可磁性吸附重金属离子的碳纳米复合纤维(Jiahua Zhu ,HongboGujJiang Guo,Minjiao ChenjHuige Wei,Zhiping Luo,Henry A.Colorado,NarendranathYerra，Daowei Ding，Thomas C.Ho，Neel Haldolaarachchige，Jack Hopper，DavidP.Young,Zhanhu Guo and Suying Wei，J.Mater.Chem.A，2014，2，2256-2265);由Mezzenga等提出的用淀粉和碳杂化制备用于净化水的膜可去除重金属离子和有机溶剂(SreenathBolisetty and Raffaele Mezzenga，Nature Nanotechnology，2016，D01:10.1038/NNAN0.2015.310ο
[0004]近年来微波已经被广泛地应用于化学领域，包括分子筛制备、放射性药物的合成、无机配合物的合成与嵌入反应、干燥条件下的有机反应、等离子体化学、分析化学中的样品预处理及催化等。近年来，微波法因其具有特殊效应已引起了材料科学界的极大关注。与传统方法相比，微波法具有反应速度快、反应条件温和及反应效率高等优点，而且产品具有较高的纯度、窄的粒径分布和均一的形态，并适于推广到大规模的工业生产中去，因而在纳米材料合成领域中显示了良好的发展态势和广阔的应用前景。由Guo等提出的以棉纤维为原料通过微波退火方法制备的具有多孔的可磁性吸附重金属离子的碳纳米复合纤维(JiahuaZhujHongbo Gu，Jiang Guo,Minjiao ChenjHuige Wei,Zhiping Luo,Henry A.Colorado,Narendranath Yerra，Daowei Ding，Thomas C.Ho，Neel Haldolaarachchige，JackHopperjDavid P.Young，Zhanhu Guo and Suying Wei,J.Mater.Chem.A,2014,2,2256-2265);但是关于NCC/PVA/PVP共混碳海绵鲜有报道，开展这方面的研究发明，对水体污染的处理，以及规模化生产有很重要的意义。
【发明内容】
[0005]针对现在水体中重金属离子和有机染料超标和现有技术存在的问题，本发明的一个目的是提供了一种通过微波退火法制备能够高效去除水体中重金属离子和有机染料的NCC/PVA/PVP共混碳海绵的制备方法。
[0006]根据本发明的所述通过微波退火法制备高效去除水体中重金属离子和有机染料的NCC/PVA/PVP共混碳海绵的制备方法，包括如下步骤:
[0007]I)将微晶纤维素(MCC)用质量百分比浓度为40-70%的硫酸在35_80°C的反应温度下处理10-80min，以制备纳米纤维素(NCC)，其中所述微晶纤维素与所述硫酸的质量百分比1:5-20，然后将制得的纳米纤维素分散在水中，在超声波条件下配制成均匀悬浊液，所得悬浊液先经机械搅拌1-3小时，然后再在超声细胞粉碎机中进一步分散30分钟，超声波的强度为500-1200W，其中相对于I重量份的制得的纳米纤维素，用100-500重量份的去离子水分散，从而制成质量百分比为0.2-1 %的悬浊液；
[0008]2)将聚乙烯醇(PVA)颗粒加步骤I)所得到的均匀悬浊液，使悬浊液中聚乙烯醇的质量百分比浓度为5-20%，然后在超声波细胞粉碎机下继续分散2小时，配制成悬浊液A;
[0009]3)将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉末加入步骤I)所得到的均匀悬浊液，使悬浊液中聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比浓度为5-40%，在磁力搅拌器下或超声细胞粉碎机下继续分散2小时，配制成悬浊液B;
[0010]4)将步骤2)、3)中得到的悬浊液A和B按照体积比为5:1至1:1的比例混合得到前驱体溶液，加入占前驱体溶液体积为1%的质量浓度为10%的硫酸在微波下退火处理即可得到具有NCC/PVA/PVP共混碳海绵，其中所述微波退火处理是在600W微波下反应5min，然后再将微波调至900W继续反应lOmin。
[0011]优选地，步骤I)中所述硫酸的质量百分比浓度为50-60%，进一步优选为58-60%，更进一步优选为58% ;反应温度为40-60°C，进一步优选为50-60 °C，更进一步优选为50°C ；反应时间为30-50min，进一步优选为35_40min，更进一步优选为35min ； MCC与硫酸的质量百分比为I: 8-15，进一步优选为1:10-15，更进一步优选为1:10。
[0012]优选地，步骤I)中相对于I重量份的制得的纳米纤维素，优选用150-300重量份，进一步优选为200-250重量份，更进一步优选为200重量份的去离子水分散，从而制成质量百分比为0.33-0.66%,进一步优选为0.4-0.5%,更进一步优选为0.5 %的悬浊液。
[0013]优选地，步骤I)中所述超声波分散中的超声波的强度为700-1000W，进一步优选为800-1000W，更进一步优选为800W。
[0014]优选地，步骤2)中所述PVA颗粒为重均分子量为17-22万且醇解度约为88%的PVA颗粒，进一步优选为PVAl7-88。将所述PVA颗粒加入I)所得到的均匀悬浊液中，使悬浊液中聚乙烯醇的质量百分比浓度为7-15%，进一步优选为8-10%，更进一步优选为8%。
[0015]优选地，步骤3)中所述PVP粉末为重均分子量为1-7万的PVP粉末，优选为PVP粉末K-30，将所述PVP粉末加入步骤I)所得到的均匀悬浊液中，使悬