本发明涉及复合材料的制备及应用领域，尤其涉及一种芳纶纳米纤维复合材料、其制备方法及其在吸附溶液中hg离子的应用。
背景技术：
芳纶纳米纤维具有特殊的分子结构，继承并超越了宏观ppta纤维的良好性能。而且易于分散，便于和其他材料复合，具有很好的隔热和抗氧化性能，在超级电容器、隔膜材料、耐高温过滤材料等领域具有广泛的应用前景。
选取芳纶纳米纤维是因为其具有较大的表面积和表面能。由于其表面原子周围缺少相邻原子，所以其不饱和度较高，能与其他原子形成稳定的结合力，并且可以与多种原子结合，化学活性高，改性空间大。其特殊的分子结构、较大的孔隙度与金属离子合成纳米复合材料，用于吸附废水中的金属离子，或用于催化剂以及材料填充剂等。芳纶纳米纤维与其他材料进行复合的方法有许多，但其中大部分操作复杂，实验条件苛刻，成本极高，难以用作大规模生产。
在重金属离子的吸附领域，如hg离子，ag纳米颗粒可以与hg离子形成银汞齐金属化合物，银汞合金常用于牙体充填，它是一个安全良好的吸附剂用于去除废水中的汞。目前研究者常用石墨烯作为负载银材料，其较大的表面积为汞吸附剂提供了良好的载体，但石墨烯吸附往往具有成本较高、二次回收困难的局限性。
技术实现要素：
本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种芳纶纳米纤维复合材料、其制备方法及其在吸附溶液中hg离子的应用。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种芳纶纳米纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将对位芳纶加入到溶有koh的dmso中，通过去质子化制得芳纶纳米纤维anfs溶液；
2)在20-25℃条件下，将可溶性金属盐加入dmso溶剂中，超声30min，使其完全溶解，得可溶性金属盐的dmso溶液；
3)在20-25℃条件下，将步骤1)所得anfs溶液用注射器滴入到步骤2)所得可溶性金属盐的dmso溶液中，室温静置，反应5h后将反应物置于dmf溶剂中60℃下400r/min搅拌3-6h；
4)将步骤3)搅拌后的产物取出用蒸馏水反复洗涤，真空干燥箱60℃烘干，即得。
其中，步骤1)中koh与对位芳纶的质量比为(1-1.5):1，所得anfs溶液的浓度为2-2.5mg/ml；步骤2)中，所述可溶性金属盐为硝酸银、硫酸钙、氯化钡、硫酸铜、硫酸镍或氯化铅中的任一种，所得可溶性金属盐的dmso溶液中金属离子浓度为2-10mg/ml；步骤3)中，所述anfs溶液与所述可溶性金属盐的dmso溶液的体积比为1:(2-5)。
本发明的第二个目的在于提供利用上述制备方法制得的芳纶纳米纤维复合材料。
本发明的第三个目的在于提供上述芳纶纳米纤维复合材料在重金属吸附领域的应用，具体为芳纶纳米纤维与ag复合材料在吸附溶液中hg离子的应用。
具体地，将芳纶纳米纤维与ag复合材料加入含汞离子的溶液中，调节溶液的ph为4-6，溶液温度为25℃，放入恒温震荡箱中吸附12h，通过火焰原子吸收法测定溶液中hg离子的浓度。
本发明的有益效果是：本发明芳纶纳米纤维复合材料的制备方法操作简单，用料较少，所得形貌均匀，纳米金属颗粒在芳纶纤维的多孔结构中均匀分散；本发明所得芳纶纳米纤维与ag复合材料可应用于重金属吸附，尤其是对溶液中hg离子的吸附率高达90％以上，25℃条件下饱和吸附量为298mg/g。
附图说明
图1为实施例1所得芳纶纳米纤维与ag复合材料的扫描电镜；
图2为实施例2所得芳纶纳米纤维与cu复合材料的扫描电镜；
图3为实施例3所得芳纶纳米纤维与ba复合材料的扫描电镜；
图4为实施例4所得芳纶纳米纤维与ca复合材料的扫描电镜；
图5为实施例5所得芳纶纳米纤维与ni复合材料的扫描电镜；
图6为实施例6所得芳纶纳米纤维与pb复合材料的扫描电镜；
图7为ph值对吸附效果的影响示意图；
图8为不同温度下的吸附动力学曲线；
图9、图10为不同温度下的吸附动力学拟合曲线；
图11为不同温度下的吸附热力学曲线；
图12为lqngmuir吸附热力学拟合曲线；
图13为freundlich吸附热力学拟合曲线。
具体实施方式
以下结合实例对本发明进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种芳纶纳米纤维复合材料的制备方法，方法如下：
(1)将0.6g对位芳纶加入到50ml溶有0.9g氢氧化钾的dmso溶剂中，通过去质子化制得纳米纤维anfs溶液；
(2)在20-25℃条件下，将0.5g硝酸银加入50mldmso溶剂中，超声15-30min，使其完全溶解；
(3)将anfs溶液滴入到50ml溶有0.5g硝酸银的dmso溶剂中，充分反应5h后，将反应物置于dmf溶剂中60℃、400r/min条件下搅拌3h；
(4)将材料取出用蒸馏水反复洗涤，烘干，即得。
实施例2
一种芳纶纳米纤维复合材料的制备方法，方法如下：
(1)将0.6g对位芳纶加入到50ml溶有0.9g氢氧化钾的dmso溶剂中，通过去质子化制得纳米纤维anfs溶液；
(2)在20-25℃条件下，将0.5g硫酸铜加入50mldmso溶剂中，超声15-30min，使其完全溶解；
(3)将anfs溶液滴入到50ml溶有0.5g硫酸铜的dmso溶剂中，充分反应5h后，将反应物置于dmf溶剂中60℃、400r/min条件下搅拌4h；
(4)将材料取出用蒸馏水反复洗涤，烘干，即得。
实施例3
一种芳纶纳米纤维复合材料的制备方法，方法如下：
(1)将0.6g对位芳纶加入到50ml溶有0.9g氢氧化钾的dmso溶剂中，通过去质子化制得纳米纤维anfs溶液；
(2)在20-25℃条件下，将0.5g硫酸钡加入50mldmso溶剂中，超声15-30min，使其完全溶解；
(3)将anfs溶液滴入到50ml含有0.5g硫酸钡的dmso溶剂中，充分反应5h后，将反应物置于dmf溶剂中60℃、400r/min条件下搅拌5h；
(4)将材料取出用蒸馏水反复洗涤，烘干，即得。
实施例4
一种芳纶纳米纤维复合材料的制备方法，方法如下：
(1)将0.6g对位芳纶加入到50ml溶有0.9g氢氧化钾的dmso溶剂中，通过去质子化制得纳米纤维anfs溶液；
(2)在20-25℃条件下，将0.5g氯化钙加入50mldmso溶剂中，超声15-30min，使其完全溶解；
(3)将anfs溶液滴入到50ml含有0.5g氯化钙的dmso溶剂中，充分反应5h后，将反应物置于dmf溶剂中60℃、400r/min条件下搅拌6h；
(4)将材料取出用蒸馏水反复洗涤，烘干，即得。
实施例5
一种芳纶纳米纤维复合材料的制备方法，方法如下：
(1)将0.6g对位芳纶加入到50ml溶有0.9g氢氧化钾的dmso溶剂中，通过去质子化制得纳米纤维anfs溶液；
(2)在20-25℃条件下，将0.5g硫酸镍加入50mldmso溶剂中，超声15-30min，使其完全溶解；
(3)将anfs溶液滴入到50ml含有0.5g硫酸镍的dmso溶剂中，充分反应5h后，将反应物置于dmf溶剂中60℃、400r/min条件下搅拌3h；
(4)将材料取出用蒸馏水反复洗涤，烘干，即得。
实施例6
一种芳纶纳米纤维复合材料的制备方法，方法如下：
(1)将0.6g对位芳纶加入到50ml溶有0.9g氢氧化钾的dmso溶剂中，通过去质子化制得纳米纤维anfs溶液；
(2)在20-25℃条件下，将0.5g硫酸铅加入50mldmso溶剂中，超声15-30min，使其完全溶解；
(3)将anfs溶液滴入到50ml含有0.5g硫酸铅的dmso溶剂中，充分反应5h后，将反应物置于dmf溶剂中60℃、400r/min条件下搅拌3h；
(4)将材料取出用蒸馏水反复洗涤，烘干，即得。
图1-图6分别为实施例1-6所得芳纶纳米纤维与金属复合材料的扫描电镜，可以看出，网状的芳纶纳米纤维中负载了纳米金属颗粒，纳米金属颗粒均匀分布在芳纶纳米纤维的多孔结构中，且尺寸均一。
应用
将25mg实施例1的芳纶纳米纤维与ag复合材料加入100ml、100mg/
l的硝酸汞溶液中，分别调节溶液的ph为1、2、3、4、5、6，分别调节溶液温度为15℃、25℃、35℃，放入恒温震荡箱中吸附12h，通过火焰原子吸收法测定溶液中hg离子的浓度，得吸附量。
通过控制反应的单一变量，由图7-13可以选取出最佳吸附ph为4-6，最佳吸附温度为25℃。图7为ph值对吸附效果的影响示意图，可以看出在ph为4-6之间的吸附效果较好，其中最好的吸附量为298mg/g。图8为不同温度下的吸附动力学曲线，在吸附11小时达到吸附平衡。图9、图10为不同温度下吸附动力学拟合曲线，通过表1的拟合数据可以看出，二级动力学拟合r22均达到0.99以上，大于一级动力学拟合r12，确定为符合二级动力学吸附。图11为不同温度下的吸附热力学曲线，图12、图13为lqngmuir吸附热力学拟合曲线和freundlich吸附热力学拟合曲线，通过表2的拟合数据可以看出符合lqngmuir吸附。
表1
表2
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种芳纶纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将对位芳纶加入到溶有koh的dmso中，通过去质子化制得芳纶纳米纤维anfs溶液；
2)在20-25℃条件下，将可溶性金属盐加入dmso溶剂中，超声30min，使其完全溶解，得可溶性金属盐的dmso溶液；
3)在20-25℃条件下，将步骤1)所得anfs溶液用注射器滴入到步骤2)所得可溶性金属盐的dmso溶液中，室温静置，反应5h后将反应物置于dmf溶剂中60℃下400r/min搅拌3-6h；
4)将步骤3)搅拌后的产物取出用蒸馏水反复洗涤，真空干燥箱60℃烘干，即得。
2.根据权利要求1所述的芳纶纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，koh与对位芳纶的质量比为(1-1.5):1；所得anfs溶液的浓度为2-2.5mg/ml。
3.根据权利要求1所述的芳纶纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述可溶性金属盐为硝酸银。
4.根据权利要求1所述的芳纶纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述可溶性金属盐为硫酸钙、氯化钡、硫酸铜、硫酸镍或氯化铅中的任一种。
5.根据权利要求1所述的芳纶纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所得可溶性金属盐的dmso溶液中金属离子浓度为2-10mg/ml。
6.根据权利要求1所述的芳纶纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述anfs溶液与所述可溶性金属盐的dmso溶液的体积比为1:(2-5)。
7.一种利用权利要求3所述制备方法制得的芳纶纳米纤维复合材料。
8.一种利用权利要求4所述制备方法制得的芳纶纳米纤维复合材料。
9.一种权利要求7所述芳纶纳米纤维复合材料在吸附溶液中hg离子的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，方法如下：
将芳纶纳米纤维复合材料加入含汞离子的溶液中，调节溶液的ph为4-6，溶液温度为25℃，放入恒温震荡箱中吸附，通过火焰原子吸收法测定溶液中hg离子的浓度。
技术总结