一种聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶的制备方法及应用

本发明涉及水体及土壤修复，具体涉及一种聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶的制备方法及应用。

背景技术：

1、随着工业化和现代农业的迅速发展，人类活动导致重金属污染严重破坏了土壤生态系统，由于重金属在土壤中具有迁移性、累积性及难生物降解的特点，使得土壤重金属污染成为亟待解决的环境问题。2014年我国无机污染物超标点位占总污染点位的82.8％，其中镉(cd)、汞、砷和铬等重金属的超标点位分别为7.0％、1.6％、2.7％以及1.1％。重金属cd，它不仅在自然环境中广泛分布，而且由于其高毒性和持久性，一旦进入水体和土壤中，便会对生态系统和人类健康构成了长期且难以逆转的威胁。在我国南方农田土壤中cd是最典型的重金属污染物，由于南方土壤多为酸性岩发育而来的红壤和黄壤，富含铁和铝等酸性物质，因此呈偏酸性，导致cd主要以活性较高的形态存在于土壤中，迁移性和毒性更高。cd在土壤中的积累不仅影响作物生长，降低农产品质量，还会通过食物链对人类健康产生严重影响，引发一系列健康问题，如骨质疏松、肾功能损伤和高血压等。因此，有效去除土壤中的cd，不仅是环境治理的需求，更是公共健康保护的紧迫任务。

2、目前，cd污染农田土壤的修复方法很多，如微生物矿化、植物修复、土壤淋洗和化学稳定法等。与其他技术相比，化学稳定法因其普适性、简单和高效而成为应用较为广泛的土壤修复方法之一。聚乙烯亚胺(pei)是一种支链上具有大量胺基的高分子聚合物，其中伯胺、仲胺和叔胺的量比为1:2:1，对重金属具有良好的螯合作用，但由于pei溶解性较好，需要与基质结合以形成不溶性复合物，以提高其应用效果。纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，不溶于水及一般有机溶剂，可从农业废弃物秸秆中提取，具有丰富的官能团。

3、目前，在土壤重金属化学稳定化修复过程中所普遍应用的是粉末形态的吸附剂，但在应用中易随水流失，且在撒施时产生大量灰尘，导致修复剂大量损失；另一方面，由于粉末形态的修复剂无法从复杂的土壤环境中取出，重金属虽然固定在材料表面，但仍在土壤中，随着雨水的淋溶，存在重金属从材料中再次析出的风险。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决上述技术问题，而提供一种聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶的制备方法及应用。

2、一种聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶的制备方法，按以下步骤进行：

3、步骤s1：提取纤维素；

4、将秸秆粉加入到氢氧化钠溶液中，在65～85℃的温度条件下搅拌1.5～2h；搅拌结束后，用蒸馏水清洗至中性，然后烘干，再加入盐酸溶液，在65～85℃的温度条件下继续搅拌1.5～2h；搅拌结束后，漂洗3～5次，置于冷冻干燥机内干燥，得到纤维素粉；

5、步骤s2：制备聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶；

6、将纤维素粉和fe3o4置于离心管中，得到样品a；将聚乙烯亚胺置于另一个离心管中，得到样品b；两个离心管均加入naoh溶液，冷冻12～14h后取出，融化后将样品a和样品b混合，反应2～5min；反应结束后加入环氧氯丙烷，超声20～30min，然后在-5～0℃下振荡反应1～1.5h后，先置于烘箱内烘干，再转移至冷冻干燥机中完全干燥，得到聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶；所述的纤维素粉、fe3o4与聚乙烯亚胺的质量比为4：1：5。

7、一种聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶的应用，所述的聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶用于吸附水体和土壤中的污染物镉。

8、本发明的有益效果：

9、本发明通过制备聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶，对cd污染水体和土壤进行修复，具有合成简便、修复效果好、有效回收等优点，主要作用机制包括：(1)mcapei表面富含氨基、羟基官能团可以与cd发生配位螯合，降低cd的有效性；(2)mcapei还有一定的孔隙结构，cd可通过扩散作用进入到孔隙中，随后通过孔隙填充沉积到修复剂表面；(3)mcapei中的fe3o4能够与cd形成沉淀，对cd进行固定。由于mcapei具有磁性，在外部磁场的作用下，将已经固定cd于表面的材料进行回收，实现水体及土壤中cd的有效去除，促进了土壤中重金属修复剂的开发与应用。

10、本发明将纤维素制备成具有可再生性、易于表面改性及三维结构形态的气凝胶，同时引入具有磁性的氧化铁(fe3o4)，可以通过外部磁场实现分散在土壤或溶液中cd的有效去除以及材料的高效回收，大大提高了修复剂的重复使用率，还减少了操作时间和成本。综上，本发明不仅响应了当前环境治理的紧迫需求，提供了一种经济可行、环境友好的水体和土壤净化方案，而且还体现了在现代环境策略下，通过材料创新实现可持续的发展。

11、本发明可获得一种聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶的制备方法及应用。

技术特征：

1.一种聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于该制备方法按以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的一种聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于步骤s1中所述的秸秆粉的质量与氢氧化钠溶液的体积的比为(10～15)g：(250～375)ml，氢氧化钠溶液的浓度为1.5～2mol/l。

3.根据权利要求1所述的一种聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于步骤s1中所述的盐酸溶液的浓度为1～1.5mol/l。

4.根据权利要求1所述的一种聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于步骤s1中使用0.3～0.5mol/l的次氯酸钠溶液进行漂洗。

5.根据权利要求1所述的一种聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于步骤s2中纤维素粉和fe3o4的总质量与naoh溶液的体积的比为(0.5～1)g：(10～20)ml。

6.根据权利要求1所述的一种聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于步骤s2中聚乙烯亚胺的质量与naoh溶液的体积的比为(0.5～1)g：(10～20)ml，所述的naoh溶液中氢氧化钠的质量分数为5～9％。

7.根据权利要求1所述的一种聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于步骤s1和步骤s2中冷冻干燥机的参数设定均为：温度为-60℃～-40℃，真空度为20pa～100pa，冻结时间为18～24h。

8.根据权利要求1所述的一种聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于步骤s2中纤维素粉、fe3o4和聚乙烯亚胺的总质量与环氧氯丙烷的体积的比为(1～2)g：(1～2)ml。

9.根据权利要求1所述的一种聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于步骤s2中振荡反应过程中的转速为200～250rpm。

10.如权利要求1-9任意一项所述的方法制备的一种聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶的应用，其特征在于所述的聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶用于吸附水体和土壤中的污染物镉。

技术总结
一种聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶的制备方法及应用，涉及水体及土壤修复技术领域。本发明将纤维素制备成具有可再生性、易于表面改性及三维结构形态的气凝胶，同时引入具有磁性的氧化铁，通过外部磁场实现分散在土壤或溶液中Cd的有效去除以及材料的高效回收，大大提高了修复剂的重复使用率，还减少了操作时间和成本。本发明可获得一种聚乙烯亚胺功能化磁性纤维素气凝胶的制备方法及应用。

技术研发人员：张颖,曲建华,毕馥漩,董宗昊,刘晓阳,李惠瑶,王梦宁,王蕾,王磊,王一帆
受保护的技术使用者：东北农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/12