论文部分内容阅读
水凝胶由于其来源丰富，生物相容性和可再生性好等特点近年来作为软材料获得了越来越多的关注。同时由于主体水凝胶与某些客体分子间存在相互作用，使得水凝胶可以作为吸附重金属、蛋白质以及水溶性染料等客体分子的新型吸附剂，特别是水凝胶作为选择性吸附客体分子的高效吸附剂可以广泛应用在污水处理等实际应用中。一直以来，水凝胶的应用主要集中在利用其生物相容性特点应用于组织细胞工程等生物研究领域，而利用其选择吸附客体分子的特点作为吸附剂的应用研究涉及较少。本课题组最近的研究发现基于超支化聚醚胺的有机/无机杂化的纳米粒子对客体染料分子具有独特的选择吸附性，同时发现这种主客体间相互作用的机理不同于以往的阴阳离子交换的选择性吸附机理，研究表明这种主客体间选择吸附性并非传统的静电相互作用，而是由于聚醚胺材料与染料之间亲疏水相互作用导致了选择性吸附，因此提出了分子拓扑学影响主客体间相互作用的机理，这不仅拓展了超支化聚合物的研究范围，更深化了我们对选择性吸附作用机理的认识，选择吸附性为杂化材料在可控分离方面的应用提供了可能性。为了进一步使这些基于超支化聚醚胺的杂化材料投入实际应用，在本文中我们首先利用超支化合物末端的硅氧烷在水中直接水解缩聚从宏观角度设计合成一系列具有不同亲疏水性和电荷的杂化水凝胶SiO1.5-hPEAs-Gels。研究四种杂化水凝胶对八种客体染料分子的饱和吸附量表明其对某些染料如PS、RB、NR和MO具有较大的饱和吸附量Qeq，对某些染料如MB和R6G具有较小的饱和吸附量Qeq，说明得到的杂化水凝胶对客体染料分子的吸附呈现选择性吸附特点，同时带负电荷的杂化水凝胶SiO1.5-hPEA211-SA-Gel对阳离子型染料MB的饱和吸附量小于带正电荷的杂化水凝胶SiO1.5-hPEA211-Gel对MB的饱和吸附量，表明主体水凝胶与客体染料间的静电作用并不是影响吸附量的主导因素。SiO1.5-hPEAs-Gels对染料的吸附动力学在第一阶段符合准一级动力学模型，第二阶段符合准二级动力学模型。基于这种选择吸附性，我们设计出一种利用接触时间动态分离染料混合水溶液的方法。上述工作得到的杂化水凝胶机械性能较差，限制了其在染料分离中的实际应用，随后我们将聚乙烯醇成功引入末端含硅氧烷的超支化聚合物中，利用聚乙烯醇侧链羟基和硅氧烷间的化学交联以及硅氧烷键自身的交联反应设计构建了一系列具有不同电荷和聚乙烯醇含量的杂化水凝胶PVA@SiO1.5-hPEA-Gels。聚乙烯醇的引入使这类杂化水凝胶机械性能相比之前有了显著提高，同时保持了之前杂化水凝胶独特的选择吸附性，随着水凝胶中聚乙烯醇含量的逐渐增加，其机械强度显著提高，压缩实验表明其应变与未增强的杂化水凝胶SiO1.5-hPEAs-Gels相比增加了数百倍之多。通过研究其对十种染料的饱和吸附量发现聚乙烯醇增强的杂化水凝胶保留了选择吸附性，不论主体带何种电荷，其对某些染料如PS、RB、OG和PSX具有较高的饱和吸附量Qeq，而对某些染料如BY、MB和R6G具有极小的饱和吸附量Qeq，Qeq值差异性证明PVA@SiO1.5-hPEA-Gels对不同染料具有选择吸附性。通过研究杂化水凝胶对客体染料的吸附动力学表明所有PVA增强的杂化水凝胶对十种染料的吸附均属于准二级动力学模型，同时研究了不同pH值下杂化水凝胶对染料PS的吸附动力学表明静电作用并不是影响吸附行为的主要因素。基于杂化水凝胶独特的选择吸附性设计出动态分离各种类型染料的方法。值得一提的是由于这种杂化水凝胶的机械性能优异，在分离后仍能保持之前的形状和性能，实际应用中便于进一步回收和利用，使基于超支化聚醚胺的杂化水凝胶在实际应用中迈进了一大步。