“聚合物基复合材料”专业课程实验案例之复合凝胶球的制备

“聚合物基复合材料”是复合材料与工程专业重要的专业课,就基体而言,围绕该课程开设的实验以玻璃纤维增强热固性树脂和热塑性通用树脂为主。这些聚合物基复合材料制备实验所用设备通常是大型仪器设备,如模压机、缠绕机和注塑机等。实验教学过程中,由于台套数限制,以教师演示操作为主,学生缺乏主动性和能动性,实验样品缺少特色,实验教学效果欠佳。为了增加实验的趣味性,激发学生的创新性,以氧化石墨烯(GO)/海藻酸钠(SA)复合凝胶球制备作为“聚合物基复合材料”专业课程实验,培养学生实验操作能力。实践表明,该实验拓展了“聚合物基复合材料”专业课程实验内容,培养了团队协作精神,锻炼了学生解决问题的能力,提高了学生实验操作的技能。

两性纤维素多孔凝胶球的制备及其动态吸附性能

用于废水处理的多孔凝胶球存在制备工艺繁琐,吸附种类单一,吸附效率低等不足;为提高多孔凝胶球的性能,采用滴入相分离、酯化反应引入羧基及希夫碱反应引入氨基的化学改性方法,制备得到兼具高孔隙率、高力学性能和羧基/氨基活性基团的两性纤维素多孔凝胶球(ACM),并构建动态吸附柱装置以探究不同条件下ACM对染料的动态吸附性能。结果表明:通过降低染料初始质量浓度,增加填料高度和减慢进液流速的方式可有效提高吸附柱的动态吸附效率;0.8 g的ACM可处理7.5 L含染料的废水;对ACM的动态吸附过程进行动态模型拟合,其与Thomas和Yoon-Nelson模型的拟合程度高,表明吸附是均匀表面的单分子层吸附,动态吸附过程中存在2个或多个速率控制步骤,内部扩散和外部扩散均不是吸附过程中的限速步骤。基于ACM优异的分级孔结构、丰富的活性位点和低传质阻力等优势,认为ACM展现出良好的动态吸附性能,在印染废水处理方面有较大应用潜力。

海藻酸钠/壳聚糖复合凝胶球的制备及其对Pb^(2+)吸附性能研究

本论文合成了3种不同凝胶球(冻干SA、烘干SA/CTS、冻干SA/CTS),使用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)技术对其进行了表征,以水体中Pb^(2+)为吸附对象,研究了3种凝胶球的吸附性能。结果表明,冻干SA/CTS具有完整的球形结构,对Pb^(2+)具有良好的吸附效果,影响冻干SA/CTS吸附Pb^(2+)效果的最佳条件为:pH值为5、投加量为0.15g·L^(-1),吸附过程符合准二级动力学,吸附行为符合Freundlich模型,理论最大吸附量为251.36mg·g^(-1),且冻干SA/CTS复合凝胶球的重复使用性能良好。

负载柚皮苷的环糊精-多糖基凝胶球的制备、特性及缓释性的研究

为了使柚皮苷具有更好的水溶性和缓释性能,利用羟丙基-β-环糊精对柚皮苷较强的包合能力,先形成水溶性包合物,再以果胶与海藻酸钠复合多糖为载体,利用离子凝胶法诱导形成水凝胶外层,制备柚皮苷-复合多糖水凝胶球。研究了复合多糖浓度、果胶与海藻酸钠质量比、CaCl_(2)质量浓度和柚皮苷添加量对多糖凝胶球机械性能、粒径及载药能力的影响,并以包封率为指标进行优化实验。结果表明,复合多糖浓度为3%,果胶与海藻酸钠质量比为3:1,氯化钙质量浓度为5%,柚皮苷添加量为5.5 mg/mL,制备的凝胶球包封率为68.34%±0.49%。扫描电镜显示,复合多糖凝胶球表面皱缩但结构致密,内部结构疏松多孔;红外光谱结果表明,柚皮苷与羟丙基-β-环糊精形成的包合物被成功包埋在凝胶球中;溶胀和体外模拟消化实验表明复合多糖凝胶球具有一定的pH敏感性和较好的缓释性。本研究制备的复合多糖凝胶球载体,可有效增加柚皮苷的溶解性和提高其生物利用度,并为柑橘黄酮在食品中的应用提供参考。

ADU凝胶球干燥设备的研制与应用

为解决ADU凝胶球在低温干燥过程中的温度不均匀、温度控制不准确,以及干燥过程中水分释放速率不均匀等难题,吸取国内外先进技术,结合电阻真空干燥设备的特点,提出了滚筒式干燥结构,实现ADU凝胶球批次连续生产。该设备方便实用、安全可靠、性能良好,设备主要由上料装置、加热炉体、出料装置、旋转装置、倾翻装置、真空系统和底座等组成,前期通过设备设计和建模验证等方式确定了该设备的最佳结构型式,后期在试验阶段,干燥效果达到了理想的工艺要求,炉温均匀性达到±5℃,符合ADU凝胶球加热均匀性的工艺要求,成功研制ADU凝胶球干燥设备,实现了设备产能提高和低温恒压干燥的目标。

改性海藻酸钠凝胶球去除稀土废水中的U(Ⅵ)

通过一步滴定凝胶法制备了三聚氰胺协同戊二醛改性海藻酸钠复合生物材料(Me@SA/GA),用于稀土废水中U(Ⅵ)的去除。结果表明,Me@SA/GA制备时SA∶Me最优比例为3∶1,当U(Ⅵ)初始浓度为5 mg/L,pH值为5时,静态吸附试验中,Me@SA/GA投加量0.1 g/L,吸附15 h,对水中U(Ⅵ)的吸附量达到19.75 mg/g;动态吸附试验中,以1 mL/min的流速过柱,Thomas模型拟合其饱和吸附量为526.6 mg/g。傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱仪(XPS)表征结果表明Me@SA/GA吸附U(Ⅵ)的相互作用包括静电吸引、颗粒内扩散以及水凝胶的官能团(羧基、氨基和羟基)与U(Ⅵ)的配位。当Me@SA/GA投加量为1 g/L,对某实际稀土废水进行试验,其出水U(Ⅵ)浓度为0.02 mg/L,可达到我国稀土工业污染物排放标准(GB 26451—2011)要求。

海藻酸钠基凝胶球的制备、改性及其食品包装的应用研究进展

海藻酸钠是一种天然的多糖材料,具有良好的凝胶特性。目前利用凝胶特性制备的海藻酸钠基凝胶球主要是作为微胶囊在包封益生菌、细胞与酶的固定、包封精油等方面的应用,但近年来利用海藻酸钠凝胶成球技术包装粘性液体也吸引了众多学者关注,展现出良好的应用前景。该文概述海藻酸钠凝胶成球形成机理,重点总结海藻酸钠基凝胶球的制备方法及适用范围,包括正向球化法、乳化凝胶法、反向球化法、冷冻反向球化法和同轴挤出法。由于海藻酸钠基凝胶球的凝胶强度、持水性和包埋率极大影响其应用,故探讨了对海藻酸钠进行复配混合、疏水改性以及对海藻酸钠基凝胶球二次涂膜的改善方法。最后介绍了海藻酸钠基凝胶球在食品包装中的应用以及发展前景,为海藻酸钠基凝胶球在未来食品包装中的研究提供理论参考和新思路。

化学龙珠——海藻酸钠凝胶球的制备

交联反应是高分子化学中的一类反应,常用于高聚物合成和改性,如塑料、树脂和橡胶。文中科普实验设计出一种极具创意、简单易行、绿色的改性海藻酸钠凝胶球的制备方法,并经红外光谱分析证实了交联反应的发生。在此基础上,对海藻酸钠凝胶球进行了创造性的设计,开发出改性海藻酸钠pH响应微球、漂流瓶等,在趣味性的体验中搭建了社会化的科普平台,向大众普及功能高分子材料及其交联反应的知识,形成科学认识事物的新思路。

海藻酸钠凝胶球对水中无机磷的吸附性能

利用一定质量分数的海藻酸钠(SA)滴入Ca2+、Fe3+等溶液中会形成规则球形的特性制备凝胶球,用于处理含磷废水。研究了不同凝胶球的除磷特性及除磷效果,并对腐殖酸与无机磷混合溶液进行吸附研究。实验结果表明,凝胶球对无机磷具有很强的吸附性能,该技术具有工艺简单、处理效率高、速度快等优点。吸附时间16h,海藻酸钠—钙—铁(Ⅲ)凝胶球对200mL(TP=50mg/L)的模拟污水去除率接近50%,海藻酸钠—铁(Ⅲ)凝胶球对磷的去除率可接近97%。海藻酸钠—钙—铁(Ⅲ)凝胶球在酸性条件下比较稳定,在碱性条件下易被分解。Langmuir型方程式可以较好地描述海藻酸钠—钙—铁(Ⅲ)凝胶球对磷的吸附行为,最大吸附量为1428.6mg/g,海藻酸钠最佳制备质量分数为2%。研究结果还表明,海藻酸钠—钙—铁(Ⅲ)凝胶球可以选择性去除与腐殖物质共存水体中的磷。

海藻酸钠凝胶球去除单宁酸和没食子酸的研究

采用海藻酸钠-钙凝胶球、海藻酸钠-钙-铁(Ⅲ)凝胶球、海藻酸钠-铁(Ⅲ)凝胶球对水体中单宁酸和没食子酸进行吸附实验研究。结果表明,对50mL(50mg/L)的模拟污水进行吸附,海藻酸钠-铁凝胶球和海藻酸钠-钙-铁(Ⅲ)凝胶球的吸附效果优于海藻酸钠-钙凝胶球,吸附120min后,使用Fe(Ⅲ)凝胶球对单宁酸的去除率可达97%,对没食子酸的去除率可达99%,对两种物质的吸附量分别为8.0、8.3mg/g,使用海藻酸钠-钙-铁(Ⅲ)凝胶球对单宁酸、没食子酸的去除率可达84%和97%,对两种物质的吸附量分别为7.0、8.0 mg/g。饱和吸附后海藻酸钠-钙-铁(Ⅲ)凝胶球可以再生利用,对单宁酸的去除效果随着降解再生次数的增加而降低。

海藻酸钠凝胶球对铬(Ⅵ)的去除效果研究

研究海藻酸钠-钙凝胶球、海藻酸钠-铁(Ⅲ)凝胶球对废水中的铬(Ⅵ)的去除效果。结果表明:对50 m L(10 mg/L)的模拟废水进行吸附,海藻酸钠-铁(Ⅲ)凝胶球的吸附效果较好,而海藻酸钠-钙凝胶球对铬(Ⅵ)几乎不发生吸附作用。铬(Ⅵ)的去除率随吸附时间的增加而提高,吸附240 min后,海藻酸钠-铁(Ⅲ)凝胶球对铬(Ⅵ)的去除率可达99%以上,海藻酸钠-铁(Ⅲ)凝胶球在酸性条件下比较稳定,在强碱性条件下易被分解,海藻酸钠-铁(Ⅲ)凝胶球吸附铬(Ⅵ)的吸附等温线符合Langmuir型,最大吸附量为11.827 mg/g。利用海藻酸钠-铁(Ⅲ)凝胶球去除废水中的铬(Ⅵ)具有工艺简单、处理效率高、速度快等优点。

海藻酸钠/碳纳米管复合凝胶球的制备及其吸附性能

提出一种安全简单污水处理的方法,以物理共混的方法利用海藻酸钠分散未经任何处理的原始多壁碳纳米管,得到均匀分散的海藻酸钠/碳纳米管(SA/MWNTs)水溶液,以CaCl2作为凝固浴,制备SA-Ca和SA/MWNTs-Ca复合凝胶球,利用凝胶球对甲基橙(MO)溶液进行吸附脱色研究。试验结果表明:海藻酸钠凝胶球对甲基橙去除率较低,随着碳纳米管含量的增加,当MWNTs增加到2.5g/L,SA/MWNTs-Ca凝胶球的吸附性能提高了3倍;并且随着凝胶球量的增加,去除率迅速增加,当凝胶球质量浓度从1～50g/L时,去除率有显著提高,增加近10倍;溶液pH值对吸附性能的研究还表明,溶液的pH值对SA/MWNTs-Ca凝胶球的吸附性能有较大的影响,pH值较低时有利于SA/MWNTs-Ca凝胶球对MO的吸附。

凝胶球负载零价铁活化过硫酸盐降解偶氮染料废水

铁活化过硫酸盐高级氧化技术中,由于反应速度快引起的铁流失是主要问题之一。本文制备了负载零价铁的海藻酸钠凝胶球催化剂(Fe-montmorillonite-sodium alginate balls,Fe-MABs),电子显微镜图表明海藻酸钠凝胶球和铁结合良好,并考察了过硫酸钠(sodium peroxydisulfate,PDS)用量、催化剂用量等因素对偶氮染料活性黑5(Reactive Black 5,RBK5)染料废水降解的影响,比较了Fe-MABs/PDS、Fe+C/PDS、Fe+C、PDS、Fe五种体系对RBK5的降解能力。结果表明,Fe-MABs/PDS体系能有效地降解RBK5,在RBK5初始浓度40mg/L条件下,PDS投加量为2mmol/L、Fe-MABs投加量40g/L、初始pH为7.0、温度为298K,在反应时间为30min和60min时,对RBK5降解率分别达到95.42%和99.90%;与Fe+C/PDS、Fe+C、Fe体系相比,Fe-MABs/PDS体系Fe的流失率减少可达90%以上。此外,通过采用甲醇和叔丁醇作为自由基淬灭剂发现Fe-MABs/PDS体系中产生的活性中间体硫酸根自由基SO_4^-·对降解过程起主要作用,并初步探索了Fe-MABs催化过硫酸盐体系对RBK5的降解动力学。

壳聚糖凝胶球对Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)吸附行为的对比

为使壳聚糖粉末吸附后易于固液分离,采用溶胶-凝胶-冷冻干燥法制备毫米级(2.8~3mm)壳聚糖凝胶球,比较了Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)吸附行为。结果表明,壳聚糖凝胶球对Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)吸附行为不同:Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)最佳吸附pH分别为5.5和3.0;达到吸附平衡Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)分别需要25h和2h;Cu(Ⅱ)的吸附反应是自发、吸热、熵增过程,而Cr(Ⅵ)吸附反应为自发、放热、熵减过程;吸附Cu(Ⅱ)后的壳聚糖凝胶球不易脱附,而吸附Cr(Ⅵ)后凝胶球脱附率相对较高。借助红外表征及Langmuir、Freundlich等温模型、拟一级、拟二级动力学、颗粒内扩散模型对吸附过程拟合表明,Cu(Ⅱ)吸附机理为单层化学吸附,而Cr(Ⅵ)是单层化学吸附与多层物理吸附共同作用的吸附-还原过程。壳聚糖凝胶球对Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的最大吸附量分别为155.67mg/g和185.08mg/g,说明冷冻干燥法可以强化壳聚糖的吸附量,同时毫米级的壳聚糖凝胶球改善了壳聚糖粉体吸附剂难分离的问题。

壳聚糖/纤维素气凝胶球的制备及其甲醛吸附性能

采用液滴悬浮凝胶法分别制备纤维素气凝胶球(CAB)和壳聚糖/纤维素气凝胶球(CCAB),再经酸处理过程分别制得酸处理的CAB(CAB-A)和酸处理的CCAB(CCAB-A),并通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X光电子能谱(XPS)和比表面积孔隙测定仪等检测手段对复合气凝胶球的形貌、化学态、表面元素分布以及孔隙结构进行了分析。同时,通过气态甲醛吸附试验对样品的甲醛吸附性能进行测定。结果表明:该法制备的壳聚糖/纤维素复合气凝胶具有均匀的球形形态,CAB、CAB-A、CCAB和CCAB-A的平均粒径分别为(2.67±0.01)、(2.47±0.02)、(2.79±0.05)和(3.34±0.05)mm。壳聚糖引入到纤维素基体中没有发生化学变化,并且通过酸处理使壳聚糖分子在纤维素凝胶网络中进行了重新分布和组装,形成更为密集的气凝胶网状结构,产生了更为丰富的孔隙结构,CCAB-A的比表面积和介孔体积分别为1 350.7 m2/g和4.511 cm3/g。气态甲醛吸附测试结果表明:CCAB-A复合气凝胶球吸附1 h的吸附量高达1.99 mmol/g,远远大于相同用量的椰壳活性炭材料的甲醛吸附量0.39 mmol/g,并且与甲醛分子之间形成了稳定的甲亚胺和席夫碱的化学结合。

用远红外线干燥氧化铀凝胶球

研究了用远红外线干燥氧化铀凝胶球的各种影响因素，其中包括湿球（φ１．２ｍｍ）的铺放强度。空气的对流与增湿，温控程序等。目的是获得无破裂的干球，以奠定热处理的良好基础。结果表明：远红外箱内的热空气应当对流与增湿。在温控程序中对６Ｏ℃的恒温时间应≥２．５ｈ，在该条件下，湿球的铺放强度能达到３．８ｋｇ／ｍ２。还讨论了凝胶结构、脱水及干球破裂的机理。

载带姜黄素的卵磷脂/果胶锌凝胶球的性能

采用滴制法制备载带姜黄素的卵磷脂/果胶锌凝胶球，以粒径、粒质量、载药量、包封率以及体外释药性能为评价指标，讨论工艺参数对评价指标的影响．实验制备的载带姜黄素的卵磷脂/果胶锌凝胶球成球均匀，平均粒径1.34～1.59,mm，平均粒质量1.74～3.45,mg．当卵磷脂与果胶的质量比为5∶4、药胶质量比为16∶20、氯化锌质量浓度为70,g/L、果胶质量浓度40,g/L、NaOH 质量浓度为30,g/L 时，载药量为18.03%，包封率为85.81%，模拟小肠液中8,h累积释药率为1.64%，再进入模拟结肠环境36,h 累积释药率为68.72%．结果表明，卵磷脂的加入改善了果胶锌凝胶球对姜黄素的载带效果以及缓释效果．

半胱氨酸-海藻酸钠-壳聚糖凝胶球的制备研究

用半胱氨酸、海藻酸钠为主要原料,结合氯化钙和壳聚糖制备复合凝胶球,并以凝胶球对铜离子的吸附能力为指标,对凝胶球制备的最佳条件进行了探讨和优化。结果表明,该凝胶球体系中壳聚糖添加量对铜离子吸附能力影响最为显著,推测主要与壳聚糖对凝胶球吸附材料的有效包埋有关。恒定半胱氨酸质量浓度为1%,经过优化筛选得到凝胶球制备最佳方案,海藻酸钠2.0%、壳聚糖0.5%、氯化钙0.25%时,所制备的凝胶球对铜离子的吸附率达到87%。

聚乙烯醇-海藻酸钠凝胶球去除废水中无机磷的研究

研究了聚乙烯醇-海藻酸钠(PVA-SA)凝胶球对废水中无机磷的去除效率及吸附特性。研究结果表明:交联剂质量分数0.5%、pH=2为最佳实验条件;PVA-SA-Fe凝胶球和PVA-SA-Ca凝胶球吸附无机磷的吸附平衡时间为120min;PVA-SA-Ca-Fe凝胶球吸附平衡时间为240min,去除率高,超过90%;模拟污水pH值为9时,PVA-SA-Ca-Fe凝胶球的去除效果最好,可达到97.5%;PVA-SA-Ca-Fe凝胶球可以很好的再生利用,主要影响因素是盐酸和Fe3+。准二级动力学方程可以很好的描述PVA-SA-Ca-Fe凝胶球的吸附过程,主要受颗粒内扩散控制;Langmuir型吸附等温线可以较好的描述PVA-SA-Ca-Fe凝胶球对无机磷的吸附行为。

聚乙烯醇/海藻酸钠双交联凝胶球的制备及其应用

将聚乙烯醇(PVA)、硼酸、海藻酸钠(SA)和氯化钙结合构筑双交联凝胶网络,并负载腐植酸钾(KHA)和钙基蒙脱土(MMT)纳米粒子,成功制备了一种双交联凝胶球(PVA/SA/KHA/MMT)。该凝胶球用于亚甲基蓝(MB)和Pb(Ⅱ)的去除。通过FTIR、XRD、TGA、SEM-EDS、Zeta电位分析和BET表征了凝胶球的理化性质。结果表明,吸附过程遵循准二级动力学模型,实验数据与Langmuir模型吻合良好。在25℃时,MB和Pb(Ⅱ)的理论最大吸附容量分别为793.65和507.61 mg/g。热力学结果表明,该凝胶球的吸附是自发吸热的,并且是由系统总体熵的增加所驱动。FTIR和XPS结果表明,Pb(Ⅱ)的吸附过程主要是通过羧基的螯合实现,而MB的吸附则通过氢键和静电相互作用发生。PVA/SA/KHA/MMT对MB和Pb(Ⅱ)具有较高的吸附选择性。经过5次循环使用后,凝胶球对MB和Pb(Ⅱ)仍表现出较高的去除率。