[发明专利]聚乙烯亚胺-钛酸纳米管复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及聚乙烯亚胺‑钛酸纳米管复合材料及其制备方法和应用，属于重金属处理领域。聚乙烯亚胺‑钛酸纳米管复合材料，其结构为聚乙烯亚胺包覆在钛酸纳米管表面；其中，所述钛酸纳米管为中空管状纳米结构，内径为4～5nm，外径为8～10nm，管长超过200nm，其分子式为Nasubgt;x/subgt;Hsubgt;2‑x/subgt;Tisubgt;3/subgt;Osubgt;7/subgt;，0＜x≤2；聚乙烯亚胺重均分子量为600～70000M.W。本发明制得的复合材料对五价钒和六价铬阴离子具有很强的吸附能力。

技术领域

本发明涉及聚乙烯亚胺-钛酸纳米管复合材料及其制备方法和应用，属于重金属处理领域。

背景技术

在各类引起水环境污染的物质中，重金属污染物具有较强的扩散性、巨大的生物毒性和不可生物降解性，受到全世界的关注。金属钒(V)作为一种高级催化剂广泛应用于各种工业过程，如炼钢、采矿和化学产品制造等，钒排放到自然环境中对人类健康具有潜在的威胁。钒在水环境中最常见的形态是四价钒(IV)和五价钒(V)，其中五价钒拥有比四价钒更强的毒性和迁移性。金属铬(Cr)也是工业废水中的一种有毒重金属，三价铬(Cr(III)和六价铬Cr(VI)是在水溶液中最常见的两种氧化态。三价铬的毒性很弱，并且少量摄入有利于人类的新陈代谢，然而六价铬具有很强的致突变性和致癌性，即使是微量的六价铬也会对会导致严重的疾病，例如过敏性皮炎、肺癌和支气管癌，因此被认为是对人体最有害的八种化学物质之一。目前已有多种处理技术用于去除五价钒和六价铬，包括化学沉淀、生物修复技术、电化学方法、离子交换、光催化还原和吸附法。对比其他去除水溶液中五价钒和六价铬的方法，吸附法具有设计简单、环境友好、操作简单、吸附剂再生容易等优点，并且不需要额外的设备，是一种极具前景的水污染净化手段。因此，设计和制造一种经济和环境友好以及吸附效果优异的吸附剂具有重要意义。

钛酸纳米管(TNTs)作为二氧化钛衍生的纳米材料，以二氧化钛和氢氧化钠为原料，通过简单高效的水热法合成。钛酸纳米管具有高比表面积、稳定开放的骨架结构和良好的阳离子交换性能，被用作去除重金属阳离子的优良吸附剂。然而钛酸纳米管的零电荷点通常很低(约为3.0)，因此不利于阴离子污染物的吸附。钛酸纳米管对带负电荷的五价钒和六价铬含氧阴离子基团的吸附能力低，亲和力差。聚乙烯亚胺(PEI)是一种阳离子电荷密度超高的亲水聚合物，在主链和支链中具有丰富的活性伯胺和仲胺基团，可以通过强氢键与重金属相互作用。它可以螯合阳离子金属污染物和通过静电作用或氢键吸附阴离子。特别是对金属阴离子，聚乙烯亚胺改性吸附剂表现出高等电点和良好的静电吸引能力。同时，聚乙烯亚胺可以还原五价钒和六价铬为毒性更低达到四价钒和三价铬。迄今为止，研究人员已经报道了聚乙烯亚胺改性的各种无机底物(如纳米级粘土材料、氧化石墨烯、磁性铁基材料等)对废水中六价铬表现出良好的吸附和还原能力。

发明内容

为了解决钛酸纳米管对重金属阴离子基团吸附能力低，亲和力差的问题，本发明通过戊二醛交联法引入拥有大量的胺和亚胺官能团的聚乙烯亚胺来修饰钛酸盐纳米管，以提高其对重金属阴离子的亲和力，开发出了新型的有机-无机杂化物。

本发明提供一种聚乙烯亚胺-钛酸纳米管复合材料。

聚乙烯亚胺-钛酸纳米管复合材料，其结构为：聚乙烯亚胺包覆在钛酸纳米管表面；其中，所述钛酸纳米管为中空管状纳米结构，内径为4～5nm，外径为8～10nm，管长超过200nm，其分子式为Na_xH_2-xTi₃O₇，0＜x≤2；聚乙烯亚胺的重均分子量为600～70000。

在一种实施方式中，聚乙烯亚胺重均分子量为70000。

本发明解决的第二个技术问题是提供一种聚乙烯亚胺-钛酸纳米管复合材料的制备方法。

聚乙烯亚胺-钛酸纳米管复合材料的制备方法：以聚乙烯亚胺和钛酸纳米管为原料，以戊二醛为交联剂，在水溶液中进行反应，制得聚乙烯亚胺-钛酸纳米管复合材料；