[发明专利]一种仿生纤维功能材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种仿生纤维功能材料及其制备方法和应用，所述材料富含多吸附位点(N、O、S)；所述材料是通过将三种多功能基团分别修饰的聚乙烯亚胺聚合物与羧基化纳米纤维素、氧化石墨烯共混后，采用仿蜘蛛纺丝原理的同轴纺丝方法，再采用后交联技术得到；所述材料以纳米纤维素为骨架，氧化石墨烯为外层、三种多功能基团分别修饰的聚乙烯亚胺聚合物为内层的多层结构，且各层之间的连接为化学键连接。本发明材料的N、O、S吸附位点密度均高于5mmol/g。

技术领域

本发明属于智能纤维功能性材料，具体涉及一种仿生纤维功能材料及其制备方法和应用。

背景技术

水体中重金属离子污染给人类的健康和生态系统带来严重危害。此外，这些重金属离子往往同时存在于水中，因此，污水排放前妥善处理是至关重要的。用于降低工业污水中金属含量的主要技术有膜过滤、化学沉淀、吸附、离子交换，电解方法，反渗透和溶剂萃取。在这些技术中，吸附法被认为是去除水溶液中重金属离子最有效的方法之一，吸附剂的性能起着关键作用。纤维素基吸附剂因其环保、低成本、易改性、高效等优点而受到广泛关注。许多研究报道，氨基(-NH₂)、羧基(-COOH)、羟基(-OH)和含硫基团等官能团可以为重金属离子提供必要的吸附位点。水体中大多同时存在多种阴阳离子型重金属离子，而目前的多吸附位点型纤维素基吸附材料的制备过程一般比较复杂，反应效率较低，多吸附位点型纤维素基吸附材料所具有的功能基团密度普遍不高，而且各功能基团密度不平衡，因此很难实现低浓度下对多种阴阳离子型重金属离子的快速同时去除。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述技术存在的不足，提供一种仿生纤维功能材料及其制备方法，该材料可同步快速完全去除多种低浓度阴离子型和阳离子型重金属离子，且具有良好的选择性和高去除率。

本发明的目的是提供一种仿生纤维功能材料；

本发明的另一目的是提供上述一种仿生纤维功能材料的制备方法；

本发明的再一目的是提供上述一种仿生纤维功能材料的应用。

本发明上述目的是通过以下技术方案予以实现：

一种仿生纤维功能材料，所述材料富含多吸附位点，即对重金属离子具有吸附性能的N、O、S位点；所述材料是通过将三种多功能基团分别修饰的聚乙烯亚胺聚合物与羧基化纳米纤维素、氧化石墨烯共混后，采用仿蜘蛛纺丝原理的同轴纺丝方法，再采用后交联技术得到；所述材料以纳米纤维素为骨架、氧化石墨烯为外层、三种多功能基团分别修饰的聚乙烯亚胺聚合物为内层的多层结构，且各层之间的连接为化学键连接；

所述三种多功能基团分别修饰的聚乙烯亚胺聚合物分别为含N、S位点的亚乙基二硫代二乙酸修饰的聚乙烯亚胺聚合物、含N、O位点的超支化聚羧酸修饰的聚乙烯亚胺聚合物以及含O、N位点的多巴胺修饰的聚乙烯亚胺聚合物；其中含O、N位点的多巴胺修饰的聚乙烯亚胺聚合物是通过多元羧酸和多巴胺修饰聚乙烯亚胺得到；

所述羧基化纳米纤维素是由TEMPO/NaBr/NaClO氧化体系将生物质纤维氧化得到。

上述仿生纤维功能材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.羧基化纳米纤维素的制备：采用TEMPO/NaBr/NaClO氧化体系对生物质纤维进行氧化，通过控制反应条件来调控氧化程度，制备羧基化纳米纤维素；

S2.含N、S位点的亚乙基二硫代二乙酸修饰的聚乙烯亚胺聚合物的制备：将亚乙基二硫代二乙酸与聚乙烯亚胺在高温下进行酰胺化反应，制得含N、S位点的亚乙基二硫代二乙酸修饰的聚乙烯亚胺聚合物；

S3.含O、N位点的多巴胺修饰的聚乙烯亚胺聚合物的制备：将多元羧酸与多巴胺在高温下进行酰胺化反应，反应完全时继续加入聚乙烯亚胺继续进行酰胺化反应，制得含O、N位点的多巴胺修饰的聚乙烯亚胺聚合物；所述多元羧酸为乙二酸、柠檬酸或1,2,3,4丁烷四羧酸；