一种改性环糊精染料吸附剂及其制备方法发明专利

一种改性环糊精染料吸附剂及其制备方法

摘要：本发明公开了一种改性环糊精染料吸附剂及其制备方法，属于轻型化工技术领域。本发明所述的制备改性环糊精染料吸附剂的方法，包括如下步骤：将环糊精、交联剂、催化剂溶于有机溶剂中，在20‑30℃下进行反应5‑8h；之后升温至75‑85℃下进行反应36‑48h；反应完成后，冷却、洗涤、干燥，得到所述的改性环糊精染料吸附剂；其中，所述的环糊精、交联剂、催化剂的物质的量之比为(0.5‑3.5)：(2‑9)：(0.8‑5.6)。本发明的吸附剂对阳离子蓝和刚果红具有良好的吸附性，其中刚果红的吸附值最大。

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111157804.9

专利申请（专利权）人：称意科技研发园(江苏)有限公司
权利人地址：江苏省宿迁市泗阳县经济开发区长江路99号

专利发明（设计）人： 赵萍莉 ,黎世华

主权利要求:一种改性环糊精染料吸附剂及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种改性环糊精染料吸附剂及其制备方法，属于轻型化工技术领域。
背景技术
[0002] 在国家经济高速发展的情况下，人们生活和社会文化均有了深远的发展，而经济发展也提高了人们对服装品味的要求，中国作为纺织及服装生产大国，从初期的单一色调服饰，到今天五颜六色以及服装品味的显著提升，都催生了服装行业的迅速发展，而在纺织服装行业发展的过程中，生产过程不可避免的出现了纺织废水污染的治理问题。目前纺织行业的废水污染问题已经是国内工业水污染的第二严重行业，仅次于石油化工行业，因此纺织行业的污水治理工作随着行业的快速发展日趋重要。
[0003] 纺织行业产生的污水特点是有机物含量高、组成成分相对复杂，废水色度较深且会随着时间延长及光照作用会发生变化，废水pH不稳定，由于工艺不同，染色废水的水量水质变化较大，在污水处理行业属于较难处理的工业废水。随着近些年化学方法在纤维织物印染行业的染色、处理等过程中越来越重要，以及仿真丝等材料的大量应用和染整工艺要求的提高，较难降解的有机污染物也因此成为纺织印染废水中占比相当大的一部分，使传统的染整废水处理工艺已经很难满足目前的水质处理标准的要求，因此也加快了纺织行业污水处理的技术革新。
[0004] 目前纺织废水处理工艺较为常用的主要有氧化还原法、离子交换法、化学沉淀法、物理吸附法等；氧化还原法占地面积较大，处理得到的沉淀污泥量大，处理后的染色废水一般呈碱性，易引发二次污染；离子交换法采用的树脂再生较为困难，且会因为氧化而失效，导致成本较高，无法大规模投入使用。
发明内容
[0005] [技术问题]
[0006] 纺织废水处理工艺存在占地面积大、成本高、效果差、容易引起二次污染、无法大规模使用等问题。
[0007] [技术方案]
[0008] 为了解决上述至少一个问题，本发明利用环糊精与交联剂三聚氯氰的交联反应制备了一种改性环糊精染料吸附剂，实现了对于染料的吸附，可以用于处理纺织废水。
[0009] 本发明的第一个目的是提供一种制备改性环糊精染料吸附剂的方法，包括如下步骤：
[0010] 将环糊精、交联剂、催化剂溶于有机溶剂中，在20‑30℃下进行反应5‑8h；之后升温至75‑85℃下进行反应36‑48h；反应完成后，冷却、洗涤、干燥，得到所述的改性环糊精染料吸附剂；其中，所述的环糊精、交联剂、催化剂的物质的量之比为(0.5‑3.5)：(2‑9)：(0.8‑5.6)。
[0011] 在本发明的一种实施方式中，所述的改性环糊精染料吸附剂包含结构式如式Ⅰ的化合物
[0012]
[0013] 其中，CD是环糊精，结构式如式Ⅱ：
[0014]
[0015] 在本发明的一种实施方式中，所述的环糊精为α‑环糊精或β‑环糊精中的一种或两种。
[0016] 在本发明的一种实施方式中，所述的催化剂为三乙胺或三甲胺中的一种或两种。
[0017] 在本发明的一种实施方式中，所述的交联剂为三聚氰胺。
[0018] 在本发明的一种实施方式中，所述的有机溶剂为丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷的一种或几种。
[0019] 在本发明的一种实施方式中，所述的环糊精和有机溶剂的比例以g/mL计为1：7‑9，进一步优选为1：8。
[0020] 在本发明的一种实施方式中，所述的反应均在氮气氛围下进行。
[0021] 在本发明的一种实施方式中，所述的升温速率为10‑20℃/h。
[0022] 在本发明的一种实施方式中，所述的洗涤是用水、有机溶剂洗涤，其中所述的有机溶剂丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷的一种或几种。
[0023] 本发明的第二个目的是本发明所述的方法制备得到的改性环糊精染料吸附剂。
[0024] 本发明的第三个目的是本发明所述的改性环糊精染料吸附剂在染料吸附中的应用。
[0025] 在本发明的一种实施方式中，所述的染料吸附为印染废水中的染料吸附。
[0026] 在本发明的一种实施方式中，所述的染料包括阳离子艳蓝、亚甲基蓝、阳离子艳红、阳离子蓝、刚果红、酸性红，其结构式分别如下：
[0027]
[0028] [有益效果]
[0029] (1)本发明利用环糊精与三聚氯氰的交联反应制备了一种多孔改性环糊精染料吸附剂，利用其表面不平与多孔的特性对染料进行吸附，结果表明：本发明的吸附剂对阳离子蓝和刚果红具有良好的吸附性，其中刚果红的吸附值最大。
[0030] (2)本发明的改性环糊精染料吸附剂对于刚果红染料分子有较高的吸附效果，吸附能力强，最大吸附量达到44.39mg/g；吸附过程符合二阶动力学模型与Langmuir吸附公式。
附图说明
[0031] 图1为实施例4中终产物吸附剂D的扫描电子显微镜图，其中(a)为放大5000倍图；(b)为放大8000倍图。
[0032] 图2为实施例4中终产物吸附剂D的热重分析图。
[0033] 图3为测试2中吸附时间与吸附量的关系图。
[0034] 图4为测试3中染料初始浓度与吸附量的关系图。
具体实施方式
[0035] 以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。
[0036] 测试方法：
[0037] 以1mg/L为梯度，配制1‑10mg/L阳离子艳蓝、亚甲基蓝、阳离子艳红、阳离子蓝、刚果红、酸性红溶液，用紫外吸收光谱测定各溶液的吸光度并拟合标准方程，具体标准方程如下表1：
[0038] 表1标准方程
[0039]染料 标准方程
阳离子艳蓝 y＝0.0480+0.1390x
亚甲基蓝 y＝0.1720+0.1772x
阳离子蓝 y＝‑0.0339+0.0665x
阳离子艳红 y＝0.0397+0.0588x
酸性红 y＝0.0278+0.1818x
刚果红 y＝‑0.0015+0.0099x
[0040] 吸附量的测试：将阳离子艳蓝、亚甲基蓝、阳离子蓝、阳离子艳红、酸性红、刚果红6种染料配成溶液模拟染料废水，加入制备的吸附剂达到吸附平衡后通过研究分光光度计测定吸附前后染料的吸光度值，并根据标准曲线计算染液浓度差，计算平衡吸附量。
[0041] 染料吸附量qt通过下式(1)计算：
[0042]
[0043] 式中，qt为吸附剂在t时刻对染料的吸附量，其单位为mg/g；C0为染料溶的总浓度，其单位为mg/L；Ct为t时刻时染料溶液的浓度，其单位为mg/L；V为染料溶液的体积，其单位为L；M为吸附剂的质量，其单位为g。
[0044] 实施例1
[0045] 一种制备改性环糊精染料吸附剂的方法，包括如下步骤：
[0046] (1)采用圆底烧瓶中，将α‑环糊精(5g，5.1mmol)、三聚氯氰(5.6g，30.6mmol)、三乙胺(0.5g，5.1mmol)溶于40mL三氯甲烷中，氮气气氛保护下室温25℃、1000rpm搅拌反应6h；
[0047] (2)将反应体系以10℃/h缓慢升温至80℃，并在此温度下恒速(1000rpm)搅拌反应36h；
[0048] (3)将冷却至室温的改性环糊精过滤，用去离子水、丙酮、二氯甲烷各洗涤两次；
[0049] (4)将得到的产物在50℃减压干燥24h，得到最终产物，记为吸附剂A。
[0050] 实施例2
[0051] 一种制备改性环糊精染料吸附剂的方法，包括如下步骤：
[0052] (1)采用圆底烧瓶，将α‑环糊精(5g，5.1mmol)、三聚氯氰(1.9g，10.2mmol)、三乙胺(0.5g，5.1mmol)溶于40mL三氯甲烷中，氮气气氛保护下室温25℃、1000rpm搅拌6h；
[0053] (2)将反应体系以10℃/h缓慢升温至80℃，并在此温度下恒速(1000rpm)搅拌反应36h；
[0054] (3)将冷却至室温的改性环糊精过滤，用去离子水、丙酮、二氯甲烷各洗涤两次；
[0055] (4)将得到的产物50℃减压干燥24h，得到最终产物，记为吸附剂B。
[0056] 实施例3
[0057] 一种制备改性环糊精染料吸附剂的方法，包括如下步骤：
[0058] (1)采用圆底烧瓶，将β‑环糊精(5g，4.4mmol)、三聚氯氰(5.7g，30.8mmol)、三乙胺(0.5g，5.1mmol)溶于40mL三氯甲烷中，氮气气氛保护下室温25℃、1000rpm搅拌6h；
[0059] (2)将反应体系以10℃/h缓慢升温至80℃，并在此温度下恒速(1000rpm)搅拌反应36h；
[0060] (3)将冷却至室温的改性环糊精过滤，用去离子水、丙酮、二氯甲烷各洗涤两次；
[0061] (4)将得到的产物50℃减压干燥24h,得到最终产物，记为吸附剂C。
[0062] 实施例4
[0063] 一种制备改性环糊精染料吸附剂的方法，包括如下步骤：
[0064] (1)采用圆底烧瓶，将β‑环糊精(5g，5.1mmol)、三聚氯氰(2.8g，15.4mmol)、三乙胺(0.5g，5.1mmol)溶于40mL三氯甲烷中，氮气气氛保护下室温25℃、1000rpm搅拌6h；
[0065] (2)将反应体系以10℃/h缓慢升温至80℃，并在此温度下恒速(1000rpm)搅拌反应36h；
[0066] (3)将冷却至室温的改性环糊精过滤，用去离子水、丙酮、二氯甲烷各洗涤两次；
[0067] (4)将得到的产物50℃减压干燥24h，得到最终产物，记为吸附剂D。
[0068] 吸附剂A、B、C、D包含结构式如式Ⅰ的化合物：
[0069]
[0070] 其中，吸附剂A、B中的CD是α‑环糊精，吸附剂C、D中的CD是β‑环糊精，结构式如下：
[0071]
[0072] 将实施例1‑4制备得到的吸附剂A、B、C、D进行测试，结果如下表2：
[0073] 表2不同吸附剂的表征
[0074]实施例 玻璃化转变温度(℃) 熔点(℃) 600℃剩余率(％)
实施例1(吸附剂A) 98.5 285.2 39.5
实施例2(吸附剂B) 93.1 269.1 37.1
实施例3(吸附剂C) 94.7 274.9 37.9
实施例4(吸附剂D) 85.2 257.4 36.2
[0075] 由表2可以看出，实施例1‑4中各吸附剂的玻璃化转变温度、熔点以及600℃下剩余率均不相同，说明不同投料比下所生成的是不同的物质。
[0076] 图1为实施例4中终产物吸附剂D的扫描电子显微镜图；从图1可以看出：终产物D表面粗糙、凹凸不平，比表面积较大，有利于吸附。
[0077] 图2为实施例4中终产物吸附剂D的热重分析图；从图2可以看出：分解主要发生在30‑100℃与301‑375℃两个区间。在100℃以下的部分重量损失是其中残留的水分被蒸发所导致，而300℃左右开始出现的重量损失是β‑环糊精与三聚氯氰相连接的醚键以及环糊精的环结构受热断裂，导致吸附剂质量在此温度区间内剧烈下降。通过热重分析可以得知，该吸附剂D在废水处理的温度条件下基本不发生分解，热稳定性较好。
[0078] 对比例1
[0079] 一种制备改性环糊精染料吸附剂的方法，包括如下步骤：
[0080] (1)采用圆底烧瓶，将β‑环糊精(5g，5.1mmol)、环氧氯丙烷(1.4g，15.4mmol)、氢氧化钠(0.2g，5.1mmol)溶于40mL超纯水中，氮气气氛保护下室温25℃、1000rpm搅拌6h；
[0081] (2)将反应体系以10℃/h缓慢升温至80℃，并在此温度下恒速(1000rpm)搅拌反应36h；
[0082] (3)将冷却至室温的改性环糊精过滤，用去离子水、丙酮、二氯甲烷各洗涤两次；
[0083] (4)将得到的产物50℃减压干燥24h,得到最终产物，记为吸附剂E；E的结构式如式Ⅲ：
[0084]
[0085] 对比例2
[0086] 一种制备改性环糊精染料吸附剂的方法，包括如下步骤：
[0087] (1)采用圆底烧瓶，将β‑环糊精(5g，5.1mmol)、无水柠檬酸(3g，15.4mmol)、磷酸二氢钾(0.7g，5.1mmol)溶于40mL去离子水中，氮气气氛保护下室温25℃、1000rpm搅拌6h；
[0088] (2)将反应体系以10℃/h缓慢升温至80℃，并在此温度下恒速(1000rpm)搅拌反应36h；
[0089] (3)将冷却至室温的改性环糊精过滤，用去离子水、丙酮、二氯甲烷各洗涤两次；
[0090] (4)将得到的产物50℃减压干燥24h,得到最终产物，记为吸附剂F；F的结构式如式Ⅳ：
[0091]
[0092] 对比例3
[0093] 直接采用未改性β‑环糊精作为吸附剂G。
[0094] 对比例4
[0095] 一种制备改性环糊精染料吸附剂的方法，包括如下步骤：
[0096] (1)采用圆底烧瓶，将β‑环糊精(5g，5.1mmol)、三聚氯氰(2.8g，15.4mmol)、碳酸钠(0.5g，5.1mmol)溶于40mL三氯甲烷中，氮气气氛保护下室温25℃搅拌6h；
[0097] (2)将反应体系以10℃/h缓慢升温至80℃，并在此温度下恒速搅拌反应36h；
[0098] (3)将冷却至室温的改性环糊精过滤，用去离子水、丙酮、二氯甲烷各洗涤两次；
[0099] (4)将得到的产物50℃减压干燥24h,得到最终产物，记为吸附剂H。
[0100] 将实施例1‑4以及对比例1‑4得到的吸附剂进行测试：
[0101] 测试1：
[0102] 配制100mg/L阳离子艳蓝、亚甲基蓝、阳离子艳红、阳离子蓝、刚果红、酸性红溶液，投入10mg实施例1‑4与对比例1‑4的吸附剂在室温下吸附6h。
[0103] 吸附结果如下表3：
[0104] 表3吸附量(mg/g)的测试结果
[0105] 例 阳离子艳蓝 亚甲基蓝 阳离子蓝 阳离子艳红 酸性红 刚果红 实施例1 16.41 12.30 31.14 1.33 4.83 13.99实施例2 16.66 16.43 33.39 1.92 9.78 17.93
实施例3 16.12 13.56 18.38 2.17 8.68 30.66
实施例4 17.70 17.61 22.87 2.30 14.76 44.39
对比例1 1.59 4.29 4.31 1.34 2.95 3.99
对比例2 0.93 3.13 3.29 1.30 2.39 4.01
对比例3 0.81 3.13 3.22 1.19 2.14 3.27
对比例4 0.80 3.15 3.23 1.21 2.20 3.31
[0106] 从表3可以看出：实施例1‑4的吸附剂A、B、C、D对以上染料均有一定吸附能力，但阳离子艳红的吸附效果最差，其中吸附剂A、B对阳离子蓝的吸附效果最佳；C、D吸附剂对刚果的吸附效果最好。当环糊精与三聚氯氰投料比提高时，吸附效果均加强，因为环糊精含量增加，更易与三聚氯氰发生交联反应形成网状多孔结构，利于染料分子吸附。对比例1‑3的吸附剂吸附效果较于实施例1‑4均低，改变交联剂为柠檬酸或环氧氯丙烷对环糊精吸附染料效果增加不明显，证明三聚氯氰作为改性β‑环糊精的交联剂为最佳。对比例4的吸附剂效果与对比例3相近，可以说明以碳酸钠作为催化剂效果不如三乙胺，甚至环糊精可能没有与三聚氯氰发生交联反应。
[0107] 测试2
[0108] 配制100mg/L刚果红溶液，投入实施例4的吸附剂D10mg，室温下震荡吸附0‑270min。吸附情况如下图3。
[0109] 由图3可以看出：前30min吸附速率最大，最大吸附量为44.39mg/g。在15min时吸附量已达到总吸附量的50％以上，随后其吸附速率逐渐降低。90min后吸附已接近饱和，曲线趋于平缓；在210min后吸附达到饱和。这是因为在实验开始阶段，吸附剂的大比表面积带来的吸附位点较多，因此实验初期吸附较快，但随着刚果红分子逐渐占据吸附位点，吸附位点变少导致吸附速率逐渐下降，吸附逐渐达到饱和。
[0110] 用准二阶吸附动力学模型对上述结果进行拟合，
[0111]
[0112] 式(2)中qt，qe分别为时刻t与达到吸附平衡时吸附剂对染料的吸附总量。
[0113] 拟合参数为k2＝7.41×10‑4g/(mg·min)，R2>0.99，得到的最大吸附容量为55.25mg/g，与实验得到的最大吸附量44.39mg/g接近。
[0114] 测试3
[0115] 配制50‑300mg/L刚果红溶液，投入吸附剂D10mg，在室温下震荡吸附6h。吸附情况如下图4。
[0116] 由图4可以看出，吸附容量随初始浓度上升而上升，且曲线在300mg/L浓度左右趋于平缓，最大吸附容量与300mg/L条件下的吸附容量77.189mg/g相近。热力学模型可以通过Langmuir拟合。
[0117] 虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

专利地区：江苏

专利申请日期：2021-09-28

专利公开日期：2022-12-16

专利公告号：CN113845606B