具有亲油性电解质结构的吸油凝胶制备及性能研究

In this project, a series of noncoordinating ion pairs composed of quaternary ammonium cations and glyceroborate anions will be synthesized. These cations and anions all contain long-chain alkyls of different lengths, so the properties of these ion pairs can be adjusted and they could dissolve and dissociate in different kinds of organic solvent. On this basis, novel polyelectrolyte superabsorbent gels containing these ion pairs will be prepared, which may have excellent swelling property in some weakly polar solvents. Moreover, due to their polyelectrolyte features, desorption and regeneration properties of swollen gels will be studied by the addition of another solvent or dissociative quaternary ammonium electrolyte in the system. Furthermore, the swelling mechanism of these polyelectrolyte superabsorbent gels will be investigated. Sulfur-containing crosslinking agent and contrastive compounds will be prepared in order that effects of solubility and dissociation for ion pairs, crosslinking density, solvent polarity, additional dissociative quaternary ammonium electrolyte and temperature on the swelling properties of superabsorbent gels will be discussed to determine whether the osmotic pressure caused by the dissolving and dissociating of ion pairs plays a key role in the swelling process. After the study on this project, reusable superabsorbent gels of simple preparation will be synthesized, which could be used in many fields, such as oil spill recovery, organic compound separation from waster water and so on. Moreover, the swelling mechanism of polyelectrolyte gels will be clarified, which is very important for the molecular design, performance control and industrial application of polyelectrolyte gels.

本项目设计和合成系列亲油性季铵阳离子单体和硼酸甘油酯阴离子，通过控制阴阳离子上长链烷基的链长，制备在不同有机溶剂中可以溶解和解离的非配位离子单体；将此单体与丙烯酸酯共聚，合成聚电解质吸油凝胶，这种凝胶有望在弱极性溶剂中达到数百倍的溶胀比。利用吸油凝胶具有聚电解质的性质，通过在溶胀凝胶体系中加入另一种溶剂，改变体系的介电常数，或者加入可解离季铵盐电解质，将凝胶回收并重复利用。同时，本项目通过研究非配位离子的溶解和解离程度、交联密度、溶剂极性、外加可解离季铵盐电解质和温度对吸油凝胶溶胀性能的影响，明确非配位离子的溶解和解离在凝胶溶胀过程中的作用，进一步探讨聚电解质吸油凝胶的溶胀机理，阐明聚电解质吸油凝胶的构效关系，为拓展系列凝胶的分子设计、性能调控和工业应用奠定理论基础。本项目所制备的吸油凝胶，路线简单、性能优良、可重复利用，在浮油回收、废水中有机物分离等领域具有潜在的应用价值。

本项目设计和合成系列亲油性阳离子单体和阴离子化合物，以此为基础，制备在有机溶剂中可以溶解的非配位离子单体；将此单体与甲基丙烯酸十八烷基酯共聚合成聚电解质吸油凝胶，测试了吸油凝胶在正己烷、二氯甲烷、甲苯、四氢呋喃、乙腈和二甲亚砜等有机溶剂中的溶胀性能，结果表明，含有设计非配位离子结构的吸收凝胶的吸收性能与甲基丙烯酸十八烷基酯均聚物的性能相当。由此可见，具有硼酸酯结构的非配位离子对不具备有超吸收效果，这可能是硼-氧结构和硼-碳结构存在比较大的差异，硼-氧结构所形成的阴离子具备较弱的电荷分散效果。. 通过利用CB[8]分子内腔对于两分子萘基具有很强的包结作用，以及CB[8]分子的羰基端与季铵阳离子具有显著的偶极-偶极作用，我们制备了一种带有萘甲基取代基的季铵结构的聚合物，通过加入一定浓度的CB[8]粉末，聚合物溶液可以形成超分子水凝胶，实验过程中，我们考察了CB[8]浓度对于凝胶强度的影响，同时，我们还考察了CB[8]浓度和修复时间对于超分子水凝胶修复过程的影响。实验结果表明，CB[8]浓度的增加可以提高凝胶的自修复性能。. 通过2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）稳定锂皂石，构建了一种对盐离子和聚合物不敏感的锂皂石纳米分散体系，在上述分散体系中加入丙烯酰胺、丙烯酸、壳聚糖等组分，制备了一种新型的无机/有机纳米复合材料。静态吸附实验结果表明，壳聚糖和锂皂石组分的引入，均可以提高材料对于Cu2+的吸附性能，其中锂皂石的提高更为明显，同时，锂皂石的引入，还可以显著提高材料的吸附速度。. 在Al3+的辅助下，通过部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）和壳聚糖作用，制备了一种新型的复合凝胶粒子，该凝胶粒子对重金属离子表现出了非常优良的吸附性能，在1 mmol/L的单一金属离子溶液中测得三种粒子饱和吸附量的次序为：Pb2+ (1.69 mmol/g) > Cu2+ (0.69 mmol/g) > Hg2+ (0.51 mmol/g)。我们研究了吸附时间、吸附剂用量、溶液pH、温度和溶液离子浓度对于凝胶粒子吸附性能的影响。通过对凝胶粒子的解吸附研究我们发现，0.1 mol/L的HCl溶液具有很好的洗提效果，粒子可以重复利用。三种离子解吸附十次后，吸附量保留率次序为Pb2+ (88%) > Cu2+ (82%) > Hg2+ (72%)。